EP4323101A1 - Method for closed-loop control of the temperature in a process engineering apparatus - Google Patents

Method for closed-loop control of the temperature in a process engineering apparatus

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Publication number
EP4323101A1
EP4323101A1 EP22720698.4A EP22720698A EP4323101A1 EP 4323101 A1 EP4323101 A1 EP 4323101A1 EP 22720698 A EP22720698 A EP 22720698A EP 4323101 A1 EP4323101 A1 EP 4323101A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
flow
liquid
heat
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
EP22720698.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
FRANK Huetten
Florian Wolff
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
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    • B01J2219/00222—Control algorithm taking actions
    • B01J2219/00227—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions
    • B01J2219/00238—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions of the heat exchange system

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the temperature in a process engineering apparatus, in which a liquid is conveyed out of the apparatus in a primary circuit, at least partly fed to a heat exchanger and at least partly returned to the apparatus.
  • temperatures are determined by sensors or flow rates by valve positions or flow sensors and used for control as controller input signals.
  • heat exchanger elements in the reactor are known for regulating the temperature in a reactor.
  • Such heat exchanger elements can be, among other things, coiled tubing or a cooling or heating jacket on the outside of the reactor. In some exothermic reactions, however, a cooling jacket is not sufficient to dissipate the heat released in the reaction.
  • the reaction mixture is usually conveyed out of the reactor into a primary circuit which contains a heat exchanger and a return to the reactor.
  • the heat exchanger removes the heat of reaction from the reaction mixture. Details on the use, design and function of heat exchangers are disclosed, among other things, in the following document in Chapter 8.29: B. G. Liptak, Process Control and Optimization, Instrument Engineers' Handbook, Volume Two, Taylor & Francis Inc., 4th Edition, 2005.
  • the document WO 2015/047723 A1 discloses a temperature control for a reactor, in which the temperature in the reactor is detected by a temperature sensor and a control algorithm measures the flow rate through a heat exchanger in a primary circuit adjusted to keep the reactor temperature at its setpoint.
  • the primary circuit includes a bypass parallel to the heat exchanger, so that the flow in the primary circuit can be divided into two parallel partial flows.
  • the reactor temperature can also be regulated by influencing the flow through the bypass.
  • Disadvantages of these disclosed temperature controls are the non-linear control characteristics, the poor control quality and the oscillation behavior that occurs in dynamic processes such as, for example, a change in load over time or the effect of disturbance variables.
  • the task therefore arose of providing a more stable and precise regulation for the temperature in a process engineering apparatus.
  • the control quality should also be improved in the case of dynamic load changes and disturbances in the process.
  • the method according to the invention for controlling the temperature in a process engineering apparatus includes the steps:
  • a heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit by the heat exchanger is determined, a control signal is calculated on the basis of a specified control algorithm, the control algorithm being configured in such a way that the control signal changes as a function of the heat flow and the temperature difference between the actual value and the setpoint of the liquid in the apparatus, and the flow rate of the flow of liquid through the heat exchanger in the primary circuit and/or a volume flow of the heat transfer medium through the heat exchanger in the secondary circuit is manipulated on the basis of the control signal.
  • control algorithm is configured in such a way that the control signal results as a function of the heat flow and the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus.
  • the terms “calculated” and “generated” are used synonymously in this document with regard to determining the actuating signal on the basis of the specified control algorithm.
  • taking into account” and “consideration” are to be understood in relation to the control algorithm in this document such that an output variable calculated by the control algorithm, for example an actuating signal, is dependent on the variable considered in each case.
  • the terms are not to be understood as exclusive.
  • the consideration of a variable X does not rule out that a variable Y is also taken into account in the control algorithm.
  • taking the heat flow into account in the control algorithm means that the control signal is calculated as a function of the value of the heat flow
  • taking into account the temperature difference between the actual value and the setpoint of the liquid in the apparatus in the control algorithm means that the control signal is calculated depending on the value of the temperature difference.
  • actuating signal f(heat flow, temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus)
  • Such a function can also contain other parameters or influencing variables in addition to the heat flow and the temperature difference, for example disturbance variables.
  • a “process engineering apparatus” is understood to mean an apparatus which can hold a liquid volume and is suitable for a liquid to flow through, for example a reactor, a stirred tank, a column, a phase separator or a tank.
  • the process engineering apparatus is a reactor.
  • a “heat exchanger” is understood to mean a device that can transfer heat from one medium to another medium.
  • plate heat exchangers or tube bundle heat exchangers can be used in the method according to the invention.
  • a “primary circuit” represents a circuit stream in which a liquid is conveyed out of the process engineering apparatus, at least partially fed to a heat exchanger and at least partially returned to the apparatus.
  • the primary circuit The flow can also contain branches, for example as a bypass parallel to the process engineering apparatus.
  • control algorithm in the sense of this document generates a control signal to manipulate the flow rate of the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit depending on one or more control deviations, including the temperature difference between the actual value and the setpoint of the temperature of the liquid in the apparatus.
  • the control algorithm additionally generates the control signal as a function of the heat flow removed or added by a heat exchanger.
  • the heat flow like the temperature difference between the actual value and the setpoint of the liquid in the apparatus, represents an influencing variable for the control algorithm represent chemical reaction in the apparatus.
  • the control algorithm can result from a direct electronic interconnection of hardware components.
  • hardware components are PID controllers, temperature sensors, flow sensors and actuators for setting the mass flow of the heat transfer medium in the secondary circuit or the flow of the liquid stream in the primary circuit.
  • the control algorithm can also result from an interaction between hardware and software components, with the software components calculating one or more output signals on the basis of input variables using computer-implemented, numerical algorithms.
  • the output signal can, for example, be the actuating signal for an actuator which, for example, adjusts the flow of the liquid stream.
  • process engineering processes are regulated and/or controlled by a process control system, which preferably uses single-variable controllers.
  • the single-variable controllers receive an input signal and emit an output signal according to their control algorithm.
  • a one-variable controller can preferably also be a PID controller.
  • the mathematical relationships for the PID controller are presented below as an example.
  • y(t) is the controller output as a function of time t
  • e(t) is the system deviation as a function of time t
  • K P is the controller gain, which represents the proportional part of the controller function
  • t the integration variable
  • T d the derivative time constant, which represents the differential part of the controller function.
  • the control algorithm can also be an adaptive control algorithm.
  • the control algorithm can be configured in such a way that a parameter of the control algorithm, for example the controller gain K P , is not permanently specified, but rather its value is calculated over time as a function of specific process variables.
  • the controller gain K P can be formulated as a function of the thermal capacity flow on the primary side and/or the secondary side of the heat exchanger in order to compensate for non-linearities in the heat exchanger characteristics.
  • the non-linearities for the different flow patterns can be taken from well-known specialist literature, for example from the VDI heat atlas (VDI heat atlas, Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 12th edition,
  • a “disturbance variable” is understood to mean a measured or estimated process variable that has a disruptive effect on the variable to be controlled and is not influenced by the control algorithm.
  • this can be a raw material flow into the process engineering apparatus or an added or removed heat flow.
  • interference control means that the control algorithm takes a disturbance variable into account when calculating a control signal.
  • a “liquid” is understood in this document to mean a single-phase or multi-phase fluid.
  • the liquid is thus free-flowing and can be conveyed through the primary circuit.
  • the liquid can also contain gas fractions and/or solid fractions, insofar as such a liquid can still be pumped.
  • the term “liquid flow” is understood to mean the “flow of the liquid” in the sense of the “flow rate of the flow of the liquid”, unless a different meaning results from the context. Consequently, these three terms are used interchangeably in this document.
  • a “heat transfer medium” is understood to mean a single-phase or multi-phase fluid, for example a liquid, a gas, a vapor or mixtures thereof.
  • the heat transfer medium is therefore free-flowing and can be conveyed through the secondary circuit.
  • the heat transfer medium can also contain solids, insofar as such a heat transfer medium can still be pumped.
  • the heat transfer medium is preferably heating steam, air or filtered river water.
  • a heat flow difference between the ascertained heat flow as an actual value and a fixed setpoint value or one that can be changed over time is determined in the control algorithm.
  • a control signal is calculated, on the basis of which the flow rate of the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit and/or a volume flow of the heat transfer medium manipulated by the heat exchanger in the secondary circuit.
  • the heat flow is determined from the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit and from a temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger in the primary circuit.
  • the heat flow is determined from a mass flow of the heat transfer medium through the heat exchanger in the secondary circuit and from a temperature difference between the temperature of the heat transfer medium before and after the heat exchanger in the secondary circuit.
  • the determination of the heat flow according to this embodiment has the advantage of easy metrological implementation. Proven and reliable sensors for flow and Temperature are commercially available for different applications, so that a simple and reliable determination of the heat flow can be realized according to this embodiment of the method according to the invention.
  • any faults or fluctuations that may occur there can be quickly detected and taken into account in the temperature control before the faults or fluctuations affect the temperature in the process engineering apparatus.
  • the control algorithm comprises a temperature controller and a heat flow controller, the temperature controller depending on the temperature difference between the actual value and the desired value of the liquid in the apparatus as an output signal a desired value for the liquid in the primary
  • the heat flow taken from or added to the heat exchanger in the heat exchanger is calculated, this target value is transferred to the heat flow controller, and the heat flow controller sends the control signal for manipulating the liquid flow in the primary circuit and/or for the Manipulation of the mass flow of the heat transfer medium generated by the heat exchanger in the secondary circuit.
  • This configuration of the control algorithm corresponds to a cascade control with the temperature controller as the master controller and the heat flow controller as the slave controller.
  • the master controller and the slave controller are each designed as PID controllers.
  • the controller output y t (t) of the master controller is set equal to the setpoint w 2 (t) of the slave controller.
  • the actual values result from the measurement of the temperature in the apparatus and the determined heat flow.
  • K P 1 the controller gain of the master controller for the temperature of the liquid in the apparatus
  • T R so u the set value of the temperature of the liquid in the apparatus
  • T R the actual value of the temperature of the liquid in the apparatus
  • T i,1 die integration time constant of the master controller for the temperature of the liquid in the apparatus
  • T d,1 the derivative time constant of the master controller for the temperature of the liquid in the apparatus
  • K P,2 is the controller gain of the heat flow slave
  • T i,2 is the integration time constant of the heat flow slave
  • T d,2 is the derivative time constant of the heat flow slave.
  • a cascade of temperature controllers as master controllers and heat flow controllers as slave controllers has the advantage that the differences in the dynamics of the sub-control loops are used to set the setpoint temperature in the process engineering apparatus more quickly and precisely in the event of setpoint changes or faults. The control quality of the control algorithm is thus improved.
  • At least one bypass is connected in parallel to the heat exchanger in the primary circuit.
  • the flow of liquid in the primary circuit can be made more flexible. This is advantageous, for example, when there are technical or process-related restrictions that affect the liquid flow in the primary circuit.
  • the cooling capacity can usually only be set in stages or only to a constant value.
  • a bypass in the primary circuit also has the advantage that the flow of the liquid through the heat exchanger can be controlled very easily by controlling the temperature in the process engineering apparatus through the Manipulation of the liquid flow can be done through the bypass.
  • the manipulation of the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit can be realized in different ways, for example directly, indirectly or through a combination of direct and indirect manipulation.
  • At least one actuator and/or pump is preferred in the primary circuit in the supply line to the heat exchanger or in the discharge line from the heat exchanger or both in the supply line to the heat exchanger and in the discharge line from the heat exchanger available for manipulating the liquid flow based on the control signal.
  • At least one actuator and/or a pump for manipulating the liquid flow through the heat exchanger on the basis of the control signal is preferably present in a bypass which is connected in parallel to the heat exchanger.
  • At least one control element for manipulating the liquid flow on the basis of the control signal is preferably present in a bypass which is connected in parallel to the heat exchanger. Furthermore, in this variant in the primary circuit there is at least one control element for manipulating the liquid flow on the basis of the control signal in the feed line to the heat exchanger or in the discharge line from the heat exchanger or both in the feed line to the heat exchanger and in the discharge line from the heat exchanger.
  • At least one control element is preferably present in the feed line to the heat exchanger or in the outlet line from the heat exchanger or both in the feed line to the heat exchanger and in the outlet line from the heat exchanger .
  • the actuator is preferably a control valve that is suitable for setting a flow rate quickly and precisely.
  • a heat flow is removed from or added to the liquid in the primary circuit by a heat exchanger. Furthermore, the flow of liquid through the heat exchanger and/or the quantity of flow of the heat transfer medium in the secondary circuit is manipulated by an actuating signal.
  • the invention is not limited to exactly one heat exchanger.
  • the invention also includes embodiments in which there are several heat exchangers in the primary circuit. These can be connected in parallel, Series circuits or combinations of parallel and series circuits can be arranged.
  • the liquid flow is manipulated by at least one heat exchanger. However, liquid flows through several heat exchangers can also be manipulated using the method according to the invention.
  • a further heat exchanger in the primary circuit is connected in parallel to the first heat exchanger, so that the process engineering apparatus can be temperature-controlled by two heat exchangers if required.
  • Such a configuration increases the flexibility with regard to the provision of heat output or cooling output.
  • An application example in which this flexibility can be used economically is the coupling of heat output or cooling output from other process stages or other systems, which would otherwise remain unused and cannot be influenced within the framework of the control according to the invention.
  • control element and/or a pump for manipulating the liquid flow on the basis of the control signal in the primary circuit in the supply line to the first and to the second heat exchanger.
  • the liquid flow through the respective heat exchanger can be limited. This is a particular advantage if, for example, a pump for the primary circuit can only deliver a constant flow of liquid.
  • this pump can advantageously be used to manipulate the flow rate of the flow of liquid through the heat exchanger on the basis of the control signal, for example by the control signal changing the speed of the pump.
  • control algorithm includes a split-range control in which, instead of one control signal, at least two control signals are calculated and at least two streams in the primary circuit and/or in the secondary circuit are manipulated, with a first Current can be manipulated as a function of a first control signal and a second current as a function of a second control signal.
  • control algorithm includes a split-range control in which at least two control signals are calculated and at least two flows in the primary circuit are manipulated, with a first liquid flow depending on a first control signal and a second liquid flow depending on a second control signal be manipulated.
  • control algorithm includes a split-range control in which at least two control signals are calculated and at least two streams in the secondary circuit are manipulated, with a first volume flow depending on a first control signal and a second volume flow depending on a second control signal can be manipulated.
  • control algorithm includes a split-range control, in which at least two control signals are calculated and at least two flows, one in the primary circuit and one in the secondary circuit, are manipulated, with a liquid flow in the primary circuit depending on a first control signal and a volume flow be manipulated in the secondary circuit depending on a second control signal.
  • Configurations with split-range controls are particularly advantageous when there are control elements with different nominal widths and thus significantly different flow rates.
  • precise control of the volume flow of the heat transfer medium can be ensured by arranging a large actuator, which is designed for large volume flows, and a small actuator, which is designed for small volume flows, in a parallel connection.
  • the amount of liquid conveyed from the process engineering apparatus into the primary circuit is set to a predetermined setpoint by determining the actual value of the amount of liquid an output signal is calculated from the comparison between the actual value and the desired value, and the liquid flow flowing through the bypass is manipulated by the output signal.
  • This configuration is particularly advantageous when the liquid flow conveyed from the process engineering apparatus into the primary circuit should or must be kept constant, but at the same time efficient control of the temperature in the apparatus is sought.
  • the control algorithm takes into account at least one disturbance variable when calculating the actuating signal, the disturbance variable comprising a measured or estimated process variable.
  • the disturbance variable can represent a flow of raw materials that is fed into the process engineering apparatus.
  • the disturbance variable can also include, for example, one or more additional heat flows. This results, inter alia, in the advantage that the regulation can react in good time, for example, to an impending change in the heat released or consumed in the apparatus due to changed input currents.
  • Several or combined disturbance variables can also be taken into account.
  • a chemical or biological, endothermic or exothermic reaction or an exothermic or endothermic physical process takes place in the process engineering apparatus.
  • the reaction is a hydroformylation, etherification, ether splitting, enalization, dehydrogenation, pyrolysis, hydrogenation or a cracking process.
  • the hydrogenation is a complete hydrogenation, selective hydrogenation or core hydrogenation.
  • the method according to the invention ensures, particularly in the case of such demanding control tasks, that the desired temperature is set quickly and reliably in the process engineering apparatus.
  • control algorithm is a multivariable controller, preferably a model predictive controller or a state space controller. This results in the advantage, among other things, that several physical variables can be recorded simultaneously in the process and used for control.
  • Fig. 6 Control behavior for a setpoint change of 1°C for example 1 with state-of-the-art control with a temperature-temperature cascade
  • Fig. 7 Control behavior when the setpoint changes by 1°C for example 1 with control according to the invention with a temperature-heat flow cascade
  • Fig. 8 Disturbance behavior when changing the propene feed by 10% for example 1 with control according to the state of the art with temperature-temperature cascade
  • Fig. 10 Disturbance behavior when the heat flow to be subtracted changes by heat integration by 10% for example 1 with state-of-the-art control with temperature-temperature cascade.
  • Temperature sequence controller containing a temperature sensor in the return line of the heat exchanger
  • FIG. 1 shows a process flow diagram of a technical process according to the prior art, in which the temperature in a reactor 101 as a technical apparatus is adjusted via external heat exchangers 103, 142.
  • Reactor 101 is fed feedstocks via separate lines, which are converted into one or more products in the reactor.
  • a gaseous feedstock is fed in via line 120 and liquid or gaseous feedstocks are fed in via lines 121 and 122 .
  • the supply of the starting materials in the lines 121 and 122 is volume-controlled via two control valves 127, 128 in the supply lines.
  • the quantity of gaseous starting material supplied in line 120 is adjusted via a pressure controller 125 and a control valve 126 in the supply line in such a way that a predetermined pressure is maintained in reactor 101 .
  • Gaseous reaction products and any unreacted gaseous starting materials are removed from the reactor via a gaseous reactor discharge 111 .
  • the discharge takes place in a quantity-regulated manner via a control valve 129 in the reactor discharge 111.
  • Liquid reaction products are forcedly conveyed by a pump 110 into a primary circuit 102, which connects the reactor 101 to two external heat exchangers 103, 142.
  • the liquid flow conveyed from the reactor 101 into the primary circuit 102 is divided between the two heat exchangers and can be adjusted via adjusting elements 108, 140 in the respective feed lines to the heat exchangers.
  • the partial flows of the primary circuit that are heated or cooled in the heat exchangers are returned to the reactor.
  • Part of the liquid flow is removed from the primary circuit 102 as liquid reactor discharge 123 .
  • the removal takes place via a control valve 130 in the removal line and via a level controller 124 in such a way that a predetermined liquid level in the reactor is maintained.
  • the temperature in the reactor 101 is set to a predetermined value. Depending on whether the reaction in the reactor is endothermic or exothermic, heat must be given to the reactor supplied or removed from the reactor.
  • the two heat exchangers make different contributions to this. While the second heat exchanger 142 carries a base load of the heat exchange, the first heat exchanger 103 is used to regulate the temperature.
  • the amount of heat transfer medium in the secondary circuit 144 of the second heat exchanger 142 is not volume-controlled, whereas the amount of heat transfer medium in the secondary circuit 104 of the first heat exchanger 103 is set to a predetermined value via a control valve 109 .
  • the amount of liquid that flows into the second heat exchanger in the primary circuit is set via a flow controller 143 and the control valve 140 in the inlet such that a temperature is maintained in a subsequent process stage.
  • This process stage is not shown in FIG.
  • the set value of the flow rate as the controller output of the temperature controller in the process stage that is not shown is symbolized by the dashed line 141 .
  • a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 101, which includes a first temperature controller 105 as master controller and a second temperature controller 113 as slave controller.
  • a target value for the temperature of the liquid in the reactor 101 is specified for the master controller 105 .
  • the actual value of the temperature in the reactor 101 is recorded via a temperature sensor.
  • master controller 105 calculates a setpoint value for the temperature of the liquid as an output signal, which is returned to the reactor as return flow from the heat exchangers in the primary circuit.
  • This desired value is transferred to the sequential controller 113, which generates an actuating signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger from the difference between the actual value and the desired value of the temperature of the returned liquid as an output signal.
  • FIG. 2 schematically shows a process flow diagram of an industrial process according to a first embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 101 is adjusted via external heat exchangers 103, 142.
  • the arrangement and wiring of the apparatus as well as the basic regulations in the feed and discharge lines are identical to the method according to the prior art, so that reference is made to the above explanations for FIG. 1 in this regard.
  • a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 101, which includes a temperature controller 105 as master controller and a heat flow controller 106 as slave controller.
  • a target value for the temperature of the liquid in the reactor 101 is specified for the master controller 105 .
  • the actual value of the temperature in the reactor 101 is about detected by a temperature sensor.
  • master controller 105 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in primary circuit 102 by heat exchangers 103 and 142 as an output signal.
  • This target value is transferred to the heat flow sequence controller 106, which uses the difference between the actual value and the target value of the heat flow as an output signal to generate an actuating signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger.
  • the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 102 by the heat exchangers 103 and 142 is calculated from a portion of the first heat exchanger 103 and a portion of the second heat exchanger 142.
  • the proportion of the first heat exchanger 103 is determined from the liquid flow flowing through the control valve 108 in the inlet to the heat exchanger and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 103 in the primary circuit.
  • the actual value of the reactor temperature 105 is used as the temperature before the heat exchanger.
  • the temperature after the heat exchanger is determined via a temperature sensor 112 in the outlet of the heat exchanger.
  • the proportion of the second heat exchanger 142 is determined analogously from the liquid flow flowing through the control valve 140 in the inlet to the heat exchanger and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 142 in the primary circuit.
  • the actual value of the reactor temperature 105 is used as the temperature before the heat exchanger.
  • the temperature after the heat exchanger is determined by a temperature sensor 145 in the outlet of the heat exchanger.
  • disturbance variables are taken into account when calculating the control signal for the control valve 108.
  • the disturbance variables are changes in the composition and/or the quantity of the starting materials.
  • the feedstock flow rates are sensed in control valves 126, 127, and 128.
  • both the absolute amounts and their ratios to one another are known.
  • the measured values of these measured process variables are fed to the heat flow controller 106 . Knowing the disturbance variables and taking them into account when calculating the control signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger 103 enables an even faster reaction to control deviations and thus an even better control quality.
  • FIG. 3 schematically shows a process flow diagram of a technical process according to a second embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 201 as a technical apparatus is set via an external heat exchanger 203 .
  • a liquid starting material 221 is fed to the reactor 201 via a line and is converted into one or more products in the reactor.
  • the supply is quantity-controlled by a control valve 227 .
  • a further fluid flow with catalyst 222 is added in a predetermined ratio to the liquid flow of the supply, which is also quantity-controlled via a control valve 228 .
  • the liquid product formed in the reactor 201 is drawn off in the upper region of the reactor 201 together with the liquid 222 mixed with catalyst and fed to a phase separator 240 .
  • an inert gas 220 is conveyed into the phase separator 240 in a volume-controlled manner.
  • the pressure in the phase separator 240 is regulated via the withdrawal of exhaust gas 232 by a control valve 229 which receives its control signal from the gas pressure regulator 243 in the phase separator 240 .
  • the exhaust gas can include inert gas, such as nitrogen, and any gaseous or vaporized reaction products.
  • the level of the phase interface between the two liquid phases is controlled by a level controller 224 via the discharge of the waste water 231 .
  • the upper total level in the tank is controlled via the product withdrawal of the liquid product 223.
  • regulation takes place by means of a filling level regulation 232, the actuating signal of which controls the regulating valve 230.
  • a partial stream of the liquid phase located in the reactor 201 is discharged by a pump 210 in a forced manner into a primary circuit 202 which connects the reactor 201 to an external heat exchanger 203 .
  • the mass flow conveyed from the reactor 201 into the primary circuit 202 can be adjusted by the control valve 208 .
  • the stream in the primary circuit that has been heated or cooled in the heat exchanger 203 is returned to the reactor 201 .
  • the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 202 by the heat exchanger 203 is calculated.
  • the extracted or added heat flow of the heat exchanger 203 is calculated from the flow of liquid flowing through the control valve 208 in the inlet to the heat exchanger and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 203 in the primary circuit determined.
  • the actual value of the reactor temperature 205 is used as the temperature before the heat exchanger.
  • the temperature after the heat exchanger is determined via a temperature sensor 212 in the outlet of the heat exchanger.
  • a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 201, which includes the temperature controller 205 as the master controller and a heat flow controller 206 as the slave controller.
  • a target value for the temperature of the liquid in the reactor 201 is specified for the master controller 205 .
  • the actual value of the temperature in the reactor 201 is recorded via a temperature sensor.
  • the master controller 205 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 202 by the heat exchanger 203 as an output signal. This setpoint is transferred to the heat flow sequence controller 206, which generates an actuating signal for the control valve 208 in the inlet to the heat exchanger 203 from the difference between the actual value and the setpoint of the heat flow as an output signal.
  • the control algorithm includes a split-range control in which two control signals are calculated and two volume flows in the secondary circuit 204 are manipulated, with a first volume flow being manipulated as a function of a first control signal and a second volume flow as a function of a second control signal .
  • the mass flow in the secondary circuit 204 is divided into two mass flows which are arranged parallel to one another, before these flow together again and flow through the heat exchanger 203 .
  • an actuator for manipulating the respective mass flow can be arranged in each of the two resulting flows.
  • the two actuators have different nominal widths, which means that significantly different flow rates can be set. In this way, precise control of the flow rate of the heat transfer medium can be ensured by designing the larger of the two actuators for large flow rates and designing the smaller of the two actuators for small flow rates.
  • the second embodiment of the process according to the invention shown in FIG. 3 is suitable, for example, for processes for the enalization of aldehydes.
  • Heat is released during the production of enals, which is dissipated via the external heat exchanger 203 .
  • An aldehyde is fed to the reactor 201 in a quantity-controlled manner as the liquid feedstock 221 .
  • An aqueous liquid stream 222 containing a catalyst in the aqueous phase is fed to the reactor 201 in a predetermined ratio to the aldehyde stream.
  • the liquid product Enal formed in the reactor 201 is drawn off together with the liquid 222 to which catalyst has been added in the upper region of the reactor 201 and fed to a phase separator 240 .
  • the phase separator 240 is supplied with nitrogen as an inert gas 220 .
  • the liquid phase containing the catalyst is removed via line 231.
  • the target product enal is removed via line 223 in the organic phase.
  • a partial stream of the liquid phase in the reactor 201 is discharged as a circulating stream by a pump 210 into a primary circuit 202 .
  • This liquid flow is selected in such a way that the organic phase and the aqueous phase are intensively mixed in the reactor 201 .
  • the power input through the liquid flow into the reactor 201 is thus adjustable.
  • the flow of heat is advantageously regulated by the flow rate of the heat transfer medium in the secondary circuit 204 .
  • PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are preferably used to control the various control circuits.
  • the calculation of the actual value of the heat flow extracted in the heat exchanger 203 is carried out with the measured value of the temperature T in in the reactor 201, the measured value of the temperature T out ,1 212 after the heat exchanger 203, the measured value of the mass flow through the control valve 208 in the inlet to the heat exchanger 203 and the parameter of the heat capacity cl for the medium of the liquid flow according to the formula
  • Fig. 4 shows schematically a process flow diagram of a technical process according to a third embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 301 as a technical apparatus via an external heat exchanger 303 is set.
  • a liquid starting material 321 is fed to the reactor 301 via a line and is converted into one or more products in the reactor.
  • the supply is volume-controlled by a control valve 327.
  • a gas flow 320 is added to the reactor 301 which is volume-controlled via a control valve 326 .
  • the control valve 326 receives its control signal from a pressure regulator 325, which regulates the pressure in the reactor.
  • Gaseous by-products are removed from the reactor via a gaseous discharge 311 in a volume-controlled manner by a control valve 329 .
  • the liquid product formed in the reactor 301 is conveyed by a circulating pump 310 from the reactor 301 into a primary circuit 302 which connects the reactor 301 to an external heat exchanger 303 .
  • the liquid flow through the heat exchanger 303 can also be adjusted indirectly by a control valve 316, which is located in a bypass 307 in the primary circuit.
  • the bypass in the primary circuit is connected in parallel to the heat exchanger 303 .
  • the stream heated or cooled in the heat exchanger 303 and the stream through the bypass 307 in the primary circuit are returned to the reactor 301 .
  • Part of the liquid stream is removed from the primary circuit 302 as liquid reactor discharge 323 .
  • the removal takes place via a flow controller 343 and a control valve 330 in the removal line and via a level controller 324 in such a way that a predetermined liquid level in the reactor is maintained.
  • the heat flow taken from or added to the liquid in the primary circuit 302 by the heat exchanger 303 is calculated from the liquid flow flowing through the heat exchanger 303 and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 303 in the primary circuit.
  • the actual value of the reactor temperature 305 is used as the temperature before the heat exchanger.
  • the temperature after the heat exchanger is determined by a temperature sensor 312 in the outlet of the heat exchanger.
  • a cascade control for controlling the temperature in the reactor 301, which includes the temperature controller 305 as master controller and a heat flow slave controller 306.
  • a target value for the temperature of the liquid in the reactor 301 is specified for the temperature controller 305 .
  • the actual value of the temperature in the reactor 301 is recorded via a temperature sensor 305 .
  • the heat flow follow-up controller 306 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 302 by the heat exchanger 303 as an output signal.
  • This desired value is transferred to the heat flow slave controller 306, which generates an actuating signal for the control valve 316 in the bypass 307 from the difference between the actual value and the desired value of the heat flow as an output signal.
  • the amount of heat transfer medium in the secondary circuit 304 of the heat exchanger 303 is volume-controlled by a control valve 309 and is usually set to a fixed value.
  • the heat transfer medium in the secondary circuit 304 is selected according to the requirements for the required cooling or heating capacity. In the case of cooling, preferably river water or chilled water is used as the heat transfer medium.
  • the third embodiment of the process according to the invention shown in FIG. 4 is suitable, for example, for processes for the hydrogenation of alkenes and aldehydes, selective hydrogenations such as the selective hydrogenation of butadiene and etherifications.
  • fixed-bed reactors 301 are typically used to convert the starting materials into the target products.
  • the liquid starting material to be hydrogenated is fed to the reactor 301 via line 321 in a quantity-regulated manner.
  • Hydrogen is fed to the reactor 301 in gaseous form via line 320 under pressure control.
  • Gaseous by-products are removed from the reactor in a quantity-regulated manner by a control valve 329 via a gaseous discharge 311 .
  • the liquid product formed in the reactor 301 for example a butanol, is removed from the primary circuit via the line 323 in a quantity-controlled manner.
  • PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are preferably used to control the various control circuits.
  • the actual value of the heat flow extracted in the heat exchanger 303 is calculated using the measured value of the temperature T in in the reactor 301, the measured value of the temperature T out ,1 312 after the heat exchanger 303, the measured value of the mass flow rrq in the inlet to the heat exchanger 303 and the Parameters of heat capacity cl for the medium of liquid flow according to the formula
  • FIG. 5 schematically shows a process flow diagram of an industrial process according to a fourth embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 401 is adjusted via an external heat exchanger 403.
  • the reactor 401 a first liquid feedstock 421 is fed in via a line, which is converted into one or more products in the reactor.
  • a second liquid feedstock 420 is added to the reactor 401, which is regulated via a control valve 426 on the basis of a measured substance concentration (Q1) in the liquid flow of the primary circuit 402.
  • Q1 measured substance concentration
  • the substance concentration can also be determined using a substitute variable, for example conductivity, density, viscosity or the speed of sound, insofar as the substitute variable allows conclusions to be drawn about the substance concentration.
  • the liquid product formed in the reactor 401 is conveyed by a circulating pump 410 from the reactor 401 into a primary circuit 402 which connects the reactor 401 to an external heat exchanger 403 .
  • the mass flow through the heat exchanger 403 can be adjusted indirectly by a control valve 416 in a bypass 407 and directly by a control valve 408 upstream of the heat exchanger 403 .
  • the stream heated or cooled in the heat exchanger 403 and the stream through the bypass 407 in the primary circuit are returned to the reactor 401 .
  • Part of the liquid flow is removed from the primary circuit 402 as liquid reactor discharge 423 .
  • the removal takes place via a flow controller and a control valve 430 in the removal line and via a level controller 424 in such a way that a predetermined liquid level in the reactor is maintained.
  • the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 402 by the heat exchanger 403 is calculated from the liquid flow flowing through the heat exchanger 403 and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 403 in the primary circuit.
  • the actual value of the reactor temperature 405 is used as the temperature before the heat exchanger.
  • the temperature after the heat exchanger is determined by a temperature sensor 412 in the outlet of the heat exchanger.
  • a cascade control for controlling the temperature in the reactor 401, which includes the temperature controller 405 as master controller and a heat flow controller 406 as slave controller.
  • a target value for the temperature of the liquid in the reactor 401 is specified for the master controller 405 .
  • the actual value of the temperature in the reactor 401 is recorded via a temperature sensor 405 .
  • the Master controller 405 as an output signal a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 402 by the heat exchanger 403 .
  • This desired value is transferred to the heat flow slave controller 406, which calculates control signals from the difference between the actual value and the desired value of the heat flow.
  • the control algorithm of the slave controller 406 is designed as a split-range control, in which two control signals are calculated.
  • the liquid flow in the bypass 407 is manipulated via the control valve 416 as a function of a first control signal.
  • the liquid flow in the primary circuit 402 is manipulated by the control valve 408 in the inlet of the heat exchanger 403 as a function of a second control signal.
  • the two control valves 408, 416 can be set between their closed positions and their open positions independently of one another.
  • the control algorithm also takes disturbance variables into account when calculating the control signal.
  • a disturbance that is known in the example process is the influence of the amount of input material supplied on the heat development in the reactor.
  • the addition of the second feedstock 420 to the first feedstock 421 causes the temperature in the reactor 401 to increase or decrease
  • the amount of heat can be calculated within the slave controller or, as shown in FIG Reactor 401 to react with foresight even before the change can be detected via the temperature sensor 405.
  • load changes, fluctuations or setpoint changes in the process can be controlled more quickly and better, which leads to improved control quality.
  • the flow rate of the heat transfer medium in the secondary circuit 404 of the heat exchanger 403 is set by a control valve 409 and a pressure regulator 435 in such a way that a specified pressure is maintained in the inlet of the heat transfer medium to the heat exchanger. This is particularly advantageous when heating steam is used as the heat transfer medium.
  • the heat transfer medium in the secondary circuit 404 is selected according to the requirements for the required cooling or heating capacity. In the case of heating, heating steam is preferably used as the heat transfer medium in the secondary circuit 404 .
  • the fourth embodiment of the method according to the invention shown in FIG. 5 is suitable, for example, for methods in which the process engineering apparatus 401 is a stirred tank in which different substances are mixed with one another or one substance is to be dissolved in another substance.
  • aqueous solution of ammonium nitrate water is fed to the stirred tank 401 via the line 421 in a quantity-regulated manner.
  • the ammonium nitrate to be dissolved is fed to the stirred tank via line 420 .
  • the supply is volume-controlled, with the flow controller (FC) as a slave controller receiving its setpoint from a master controller (QC) which, as a quality controller, has a specified concentration of a component or a specified substitute variable that allows conclusions to be drawn about the concentration of a component. in the liquid flow withdrawn into the primary circuit 402 regulates.
  • FC flow controller
  • QC master controller
  • the quality controller ensures a constant composition of the solution produced.
  • the conductivity of the removed solution serves as an easily accessible quality measure.
  • the level in the stirred tank 401 is controlled by a level controller 424 which manipulates the withdrawal of the solution 423 produced by a control valve 430 .
  • the process is endothermic, so that the heat extracted in the stirred tank 401 has to be supplied again by the heat exchanger 403.
  • heating steam is used, the pressure of which in the supply line 404 is controlled by a pressure regulator 435 which controls the control valve 409 .
  • PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are preferably used to control the various control circuits.
  • the calculation of the actual value of the heat flow extracted in the heat exchanger 403 is carried out with the measured value of the temperature T in in the reactor 401, the measured value of the temperature T out ,1 412 after the heat exchanger 403, the measured value of the mass flow rr ⁇ in the inlet to the heat exchanger 303 and the parameter of the heat capacity c t for the medium of the liquid flow according to the formula
  • the expected heat quantity flow to be supplied based on the ammonium nitrate 420 is recorded by a heat quantity calculation 417 and forwarded to the heat quantity controller 406 as a disturbance variable.
  • Comparative example 1 The hydroformylation of propene is carried out industrially in a bubble column reactor using a rhodium-triphenylphosphine complex as catalyst. During the reaction, heat is released, which has to be removed from the reactor.
  • the technical process flow diagram of such a process according to the prior art is given in FIG.
  • Hydrogen and carbon monoxide are fed to the bubble column reactor 101 together as so-called synthesis gas via the line 120 as a gaseous feedstock.
  • Propene is supplied in liquid form via line 121 as a further feedstock in a quantity-regulated manner.
  • a liquid solvent containing a catalyst is added via line 122 in a volume-controlled manner.
  • the starting materials which are gaseous under the reaction conditions, dissolve in the solvent and react in the presence of the homogeneous catalyst to give the desired reaction products. Unreacted gaseous starting materials, in particular hydrogen and carbon monoxide, are removed via the gaseous reactor discharge 111 .
  • the target product of the reaction is removed from the primary circuit 102 via the liquid reactor discharge 123 .
  • the liquid reactor contents are cooled in order to keep the reactor temperature at a desired constant value. This is done by cooling the liquid flow in the primary circuit 102 in the heat exchangers 103 and 142, for example using river water as the heat transfer medium in the secondary circuits.
  • PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are used to regulate the various control circuits.
  • a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 101, which includes a temperature controller 105 as master controller and a heat flow controller 106 as slave controller.
  • the master controller 105 is given a target value the temperature of the liquid in the reactor 101 is predetermined.
  • the actual value of the temperature in the reactor 101 is recorded via a temperature sensor.
  • the master controller 105 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 102 by the heat exchangers 103 and 142 as an output signal.
  • This desired value is transferred to the heat flow sequence controller 106, which generates an actuating signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger from the difference between the actual value and the desired value of the heat flow as an output signal.
  • the actual value of the heat flow extracted in the first heat exchanger 103 is calculated using the measured value of the temperature T in in the reactor 101, the measured value of the temperature T out ,1 after the first heat exchanger 103, the measured value of the mass flow rfi- L through the control valve 108 in the feed to the first heat exchanger 103 and the parameter of the heat capacity q for the medium of the liquid flow according to the formula - T out ,1 ).
  • the actual value of the heat flow extracted in the second heat exchanger 142 is calculated using the measured value of the temperature T in in the reactor 101, the measured value of the temperature T out ,2 after the second heat exchanger 142, the measured value of the mass flow through the control valve 140 in the inlet to the second heat exchanger 142 and the parameter of the heat capacity q for the medium of the liquid flow according to the formula
  • the total pressure in the reactor 101 is given by the sum of the partial pressures of hydrogen, carbon monoxide, solvent and propene. No other components in the gas phase are taken into account.
  • the catalyst mole fraction x Cat remains constant during the simulation. In addition, no heat is exchanged between the reactor 101 or the lines and the environment, so that adiabatic conditions are assumed.
  • the boundary conditions of the simulation are listed below:
  • the heat flow coefficient of the external heat exchanger is constant
  • the inlet temperature of the heat transfer medium in the secondary circuit is .
  • the only heat sinks are the two heat exchangers.
  • the temperature of the liquid stream Ti n PF is equal to the reactor temperature T R.
  • the mean logarithmic temperature difference is given by:
  • the ratio between hydrogen and carbon monoxide in stream 120 is to be chosen such that the partial pressure of hydrogen P H2, nom is equal to that of carbon monoxide Pco,nom.
  • the reaction rate is calculated by
  • c co , c H2 , c propene and c cat are the concentrations of the individual components in mol/l, E A is the activation energy and k R,0 is the pre-exponential factor.
  • the enthalpy of the reaction is calculated using the enthalpy model (Aspen Properties) specified in the simulation tool for the liquid phase and the application of Hess' theorem.
  • reaction kinetics parameters K co , K H2 , E A , and k R,0 were adjusted to reflect the negative correlation of the reaction rate with increasing carbon monoxide partial pressure.
  • the parameters used are:
  • the reaction rate is a function of the concentrations without considering the partial pressures.
  • the correlation between the partial pressures and the concentrations can be determined from the known solubilities of the individual gases in the liquid phase.
  • the solubility of the gases depends on the solvent in which the reaction takes place.
  • the solvent is generally a mixture of rhodium catalyst, ligand and n-butyric aldehyde, isobutyric aldehyde, dimers, trimers and higher oligomers of butyric aldehyde.
  • the solvent largely consists of high-boiling components that arise as a result of the side reactions of the hydroformulation.
  • the mixture including catalyst and ligand
  • the Texanol component was selected as the solvent because its parameters are available in Aspen Properties and these correspond well to the described real mixture.
  • a conversion for the simple passage of synthesis gas 120 and propene 121 must be specified.
  • the conversion in a single pass X SP,propene is defined here as the quotient of the mass flow of butanal which is fed to the work-up section and the mass flow of propene f which is fed to the reactor 101 .
  • This definition was chosen because a considerable part of the unreacted propene is contained in the exhaust gas and the total would therefore have to be formed over several streams if the unreacted propene were to be determined.
  • the conversion for the single passage of the synthesis gas 120 is set in such a way that the molar fraction of carbon monoxide in the gaseous reaction output is y CO,Vent,nom in the direction of work-up.
  • the synthesis gas composition in the inflow is set such that the molar fraction of hydrogen in the gaseous reaction effluent at normal load is equal to the molar fraction of carbon monoxide in the gaseous reaction effluent at nominal load.
  • the partial pressure of hydrogen and carbon monoxide is about 3 bar and the hydroformulation reaction is in the range of negative correlation between the partial pressure of carbon monoxide and the reaction rate.
  • FIGS. 6 and 7 A comparison of the simulation results between Comparative Example 1 and Example 1 for the control behavior of the controller when the reactor temperature setpoint changes from 95° C. to 92° C. and back to 95° C. is shown in FIGS. 6 and 7 . In this case, for both examples, no second heat exchanger 142 is connected.
  • a temperature-temperature cascade is used to control the temperature in the reactor.
  • a temperature/heat flow cascade is used to control the temperature in the reactor.
  • the process boundary conditions such as the reactor temperature or the educt flows, are kept constant in both cases for the first 60 minutes.
  • “Aspen Plus Dynamics” is used. After a simulated time of one hour, the setpoint of the reactor temperature is reduced instantaneously from 95°C to 92°C. After a further four hours of simulated time, the reactor temperature setpoint is reset to its original value of 95°C.
  • the dashed line shows the desired value for the reactor temperature
  • the solid line shows the actual value the reactor temperature and the dot-dash line the control signal of the master controller 105.
  • this is a setpoint temperature for the slave controller
  • it is a setpoint heat flow for the slave controller.
  • the dashed line shows the setpoint of the reactor temperature
  • the solid line shows the actual value of the reactor temperature
  • the dot-dash line shows the control signal of the master controller 105.
  • a comparison of the curves shows the actual values
  • the reactor temperature clearly shows that the desired value is reached significantly faster with the method according to the invention than with the method according to the prior art. The control quality is therefore also better in this scenario.
  • the dashed line shows the setpoint of the reactor temperature
  • the solid line shows the actual value of the reactor temperature
  • the dot-dash line shows the control signal of the master controller 105.

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Abstract

The invention relates to a method for closed-loop control of the temperature in a process engineering apparatus (101, 201, 301, 401) in which, in a primary circuit (102, 202, 302, 402), a liquid is conveyed from the apparatus (101, 201, 301, 401), is at least partly fed to a heat exchanger (103, 203, 303, 403) and is at least partly fed back again to the apparatus (101, 201, 301, 401), wherein the heat exchanger (103, 203, 303, 403) is cooled or heated by a heat transfer medium in a secondary circuit (104, 204, 304, 404), comprising the following steps: – providing a setpoint value of the temperature of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401), – detecting an actual value of the temperature of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401), and – calculating the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401). According to the invention – a heat flow drawn from or added to the liquid in the primary circuit (102, 202, 302, 402) by the heat exchanger (103, 203, 303, 403) is determined, – a manipulated variable signal is calculated on the basis of a predefined closed-loop control algorithm, the closed-loop control algorithm being configured in such a way that the manipulated variable signal arises depending on the heat flow and the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401), and – the flow rate of the flow of the liquid through the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the primary circuit (102, 202, 302, 402) and/or a mass flow rate of the heat transfer medium through the heat exchanger in the secondary circuit (104, 204, 304, 404) is/are manipulated on the basis of the manipulated variable signal.

Description

Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem verfahrenstechnischen Apparat Beschreibung Process for controlling the temperature in a process engineering apparatus Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem verfahrenstechni- schen Apparat, bei dem in einem Primärkreislauf eine Flüssigkeit aus dem Apparat gefördert, zumindest teilweise einem Wärmeübertrager zugeführt und zumindest teilweise dem Apparat wieder zurückgeführt wird. The invention relates to a method for controlling the temperature in a process engineering apparatus, in which a liquid is conveyed out of the apparatus in a primary circuit, at least partly fed to a heat exchanger and at least partly returned to the apparatus.
Bekannte Regelungen der Temperatur in einem verfahrenstechnischen Apparat sind u.a. in der folgenden Veröffentlichung auf den Seiten 165 - 171 beschrieben: H. Schüler, Prozessführung, Oldenbourg Verlag München Wien, 1999. Hierbei werden zum Beispiel Temperaturen durch Sensoren oder Durchflussraten durch Ventilstellungen oder Durchflusssensoren ermittelt und für die Regelung als Reglereingangssignale verwendet. Known temperature controls in a process engineering apparatus are described, inter alia, in the following publication on pages 165-171: H. Schüler, Prozessführung, Oldenbourg Verlag Munich Vienna, 1999. Here, for example, temperatures are determined by sensors or flow rates by valve positions or flow sensors and used for control as controller input signals.
Zur Regelung der Temperatur in einem Reaktor sind unterschiedliche Konzepte auf Basis von Wärmeübertragerelementen im Reaktor bekannt. Solche Wärmeübertragerelemente können u.a. Rohrwendeln sein oder einen Kühl- oder Heizmantel an der Außenseite des Reaktors um- fassen. Bei manchen exothermen Reaktionen reicht jedoch ein Kühlmantel nicht aus, um die in der Reaktion freiwerdende Wärme abzuführen. In diesen Fällen wird das Reaktionsgemisch üb- licherweise aus dem Reaktor in einen Primärkreislauf gefördert, der einen Wärmeübertrager und eine Rückführung in den Reaktor enthält. Der Wärmeübertrager führt die Reaktionswärme aus dem Reaktionsgemisch ab. Details zur Verwendung, Auslegung und Funktionseise von Wärmeübertragern werden u.a. in dem folgenden Dokument im Kapitel 8.29 offenbart: B. G. Liptak, Process Control and Optimization, Instrument Engineers' Handbook, Volume Two, Tay- lor & Francis Inc., 4. Edition, 2005. Various concepts based on heat exchanger elements in the reactor are known for regulating the temperature in a reactor. Such heat exchanger elements can be, among other things, coiled tubing or a cooling or heating jacket on the outside of the reactor. In some exothermic reactions, however, a cooling jacket is not sufficient to dissipate the heat released in the reaction. In these cases, the reaction mixture is usually conveyed out of the reactor into a primary circuit which contains a heat exchanger and a return to the reactor. The heat exchanger removes the heat of reaction from the reaction mixture. Details on the use, design and function of heat exchangers are disclosed, among other things, in the following document in Chapter 8.29: B. G. Liptak, Process Control and Optimization, Instrument Engineers' Handbook, Volume Two, Taylor & Francis Inc., 4th Edition, 2005.
In einer speziellen Anwendung für Hydroformylierungen offenbart das Dokument WO 2015/047723 A1 (THE DOW CHEMICAL COMPANY) eine Temperaturregelung für einen Reaktor, bei der die Temperatur im Reaktor durch einen Temperatursensor erfasst wird und ein Regelungsalgorithmus die Durchflussmenge durch einen Wärmeübertrager in einem Primär- kreislauf so einstellt, dass die Reaktortemperatur auf ihrem Sollwert gehalten wird. In einer al- ternativen Variante umfasst der Primärkreislauf einen Bypass parallel zum Wärmeübertrager, sodass der Strom im Primärkreislauf in zwei parallele Teilströme aufgeteilt werden kann. Die Regelung der Reaktortemperatur kann in diesem Fall auch durch die Beeinflussung des Durch- flusses durch den Bypass erfolgen. Nachteilig an diesen offenbarten Temperaturregelungen ist die nicht-lineare Regelungscharak- teristik, die schwache Regelgüte und auftretendes Schwingungsverhalten bei dynamischen Pro- zessen wie beispielsweise einer zeitlichen Laständerung oder einer Störgrößeneinwirkung. In a special application for hydroformylation, the document WO 2015/047723 A1 (THE DOW CHEMICAL COMPANY) discloses a temperature control for a reactor, in which the temperature in the reactor is detected by a temperature sensor and a control algorithm measures the flow rate through a heat exchanger in a primary circuit adjusted to keep the reactor temperature at its setpoint. In an alternative variant, the primary circuit includes a bypass parallel to the heat exchanger, so that the flow in the primary circuit can be divided into two parallel partial flows. In this case, the reactor temperature can also be regulated by influencing the flow through the bypass. Disadvantages of these disclosed temperature controls are the non-linear control characteristics, the poor control quality and the oscillation behavior that occurs in dynamic processes such as, for example, a change in load over time or the effect of disturbance variables.
Es stellte sich daher die Aufgabe, eine stabilere und präzisere Regelung für die Temperatur in einem verfahrenstechnischen Apparat bereitzustellen. Hierbei sollte auch die Regelgüte bei dy- namischen Laständerungen und Störungen im Prozess verbessert werden. The task therefore arose of providing a more stable and precise regulation for the temperature in a process engineering apparatus. The control quality should also be improved in the case of dynamic load changes and disturbances in the process.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteil- hafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 12 an- gegeben. This object was achieved according to the invention by a method according to claim 1. Advantageous refinements of the method according to the invention are specified in claims 2 to 12.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem verfahrenstechni- schen Apparat, bei dem in einem Primärkreislauf eine Flüssigkeit aus dem Apparat gefördert, zumindest teilweise einem Wärmeübertrager zugeführt und zumindest teilweise dem Apparat wieder zurückgeführt wird, wobei der Wärmeübertrager durch ein Wärmeträgermedium in einem Sekundärkreislauf gekühlt oder beheizt wird, umfasst die Schritte: The method according to the invention for controlling the temperature in a process engineering apparatus, in which a liquid is conveyed out of the apparatus in a primary circuit, at least partially fed to a heat exchanger and at least partially returned to the apparatus, the heat exchanger being cooled by a heat transfer medium in a secondary circuit or heated, includes the steps:
Bereitstellen eines Sollwertes der Temperatur der Flüssigkeit im Apparat, providing a setpoint for the temperature of the liquid in the apparatus,
Erfassen eines Istwertes der Temperatur der Flüssigkeit im Apparat, detecting an actual value of the temperature of the liquid in the apparatus,
Berechnen der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat. Calculate the temperature difference between the actual and the set point of the liquid in the apparatus.
Erfindungsgemäß werden ein der Flüssigkeit im Primärkreislauf durch den Wärmeübertrager entnommener oder hin- zugefügter Wärmestrom ermittelt, auf Basis eines vorgegebenen Regelungsalgorithmus ein Stellsignal berechnet, wobei der Regelungsalgorithmus derart konfiguriert ist, dass das Stellsignal sich in Abhängigkeit von dem Wärmestrom und der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat ergibt, und die Durchflussmenge des Stromes der Flüssigkeit durch den Wärmeübertrager im Primär- kreislauf und/oder ein Mengenstrom des Wärmeträgermediums durch den Wärmeübertrager im Sekundärkreislauf auf Basis des Stellsignals manipuliert. According to the invention, a heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit by the heat exchanger is determined, a control signal is calculated on the basis of a specified control algorithm, the control algorithm being configured in such a way that the control signal changes as a function of the heat flow and the temperature difference between the actual value and the setpoint of the liquid in the apparatus, and the flow rate of the flow of liquid through the heat exchanger in the primary circuit and/or a volume flow of the heat transfer medium through the heat exchanger in the secondary circuit is manipulated on the basis of the control signal.
Es hat sich gezeigt, dass die Berücksichtigung des Wärmestroms bei der Regelung der Tempe- ratur in einem verfahrenstechnischen Apparat sowohl eine stabilere Regelung als auch eine bessere Regelgüte ermöglicht. Der Regelungsalgorithmus ist derart konfiguriert, dass sich das Stellsignal in Abhängigkeit von dem Wärmestrom und der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat ergibt. Im Sinne dieser Schrift ist dies gleichbedeutend damit, dass bei der Berechnung des Stellsignals der Wärmestrom und die Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat berücksichtigt werden. In Bezug auf die Er- mittlung des Stellsignals auf Basis des vorgegebenen Regelungsalgorithmus werden in dieser Schrift die Begriffe „berechnet“ und „generiert“ synonym verwendet. It has been shown that taking the heat flow into account when controlling the temperature in a process engineering apparatus enables both more stable control and better control quality. The control algorithm is configured in such a way that the control signal results as a function of the heat flow and the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus. For the purposes of this document, this means that the heat flow and the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus are taken into account when calculating the control signal. The terms “calculated” and “generated” are used synonymously in this document with regard to determining the actuating signal on the basis of the specified control algorithm.
Die Begriffe „berücksichtigt“ und „Berücksichtigung“ sind in Bezug auf den Regelungsalgorith- mus in dieser Schrift so zu verstehen, dass eine durch den Regelungsalgorithmus berechnete Ausgangsgröße, beispielsweise ein Stellsignal, von der jeweils berücksichtigten Größe abhän- gig ist. Dabei sind die Begriffe nicht exklusiv zu verstehen. Die Berücksichtigung einer Größe X schließt nicht aus, dass auch eine Größe Y in dem Regelungsalgorithmus berücksichtigt wird. Beispielsweise ist die Berücksichtigung des Wärmestroms im Regelungsalgorithmus so zu ver- stehen, dass das Stellsignal in Abhängigkeit von dem Wert des Wärmestroms berechnet wird, und die Berücksichtigung der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat im Regelalgorithmus ist so zu verstehen, dass das Stellsignal in Abhän- gigkeit des Wertes der Temperaturdifferenz berechnet wird. Die Abhängigkeit kann beispielhaft durch eine mathematische Funktion f der Form „Stellsignal = f(Wärmestrom, Temperaturdiffe- renz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat)“ ausgedrückt werden. Eine solche Funktion kann auch weitere Parameter oder Einflussgrößen neben dem Wär- mestrom und der Temperaturdifferenz enthalten, beispielsweise Störgrößen. The terms “taken into account” and “consideration” are to be understood in relation to the control algorithm in this document such that an output variable calculated by the control algorithm, for example an actuating signal, is dependent on the variable considered in each case. The terms are not to be understood as exclusive. The consideration of a variable X does not rule out that a variable Y is also taken into account in the control algorithm. For example, taking the heat flow into account in the control algorithm means that the control signal is calculated as a function of the value of the heat flow, and taking into account the temperature difference between the actual value and the setpoint of the liquid in the apparatus in the control algorithm means that the control signal is calculated depending on the value of the temperature difference. The dependency can be expressed, for example, by a mathematical function f of the form "actuating signal = f(heat flow, temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus)". Such a function can also contain other parameters or influencing variables in addition to the heat flow and the temperature difference, for example disturbance variables.
Unter einem „verfahrenstechnischen Apparat“ wird in dieser Schrift ein Apparat verstanden, der ein Flüssigkeitsvolumen aufnehmen kann und zum Durchströmen mit einer Flüssigkeit geeignet ist, beispielsweise ein Reaktor, ein Rührbehälter, eine Kolonne, ein Phasenscheider oder ein Tank. In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der verfah- renstechnische Apparat ein Reaktor. In this document, a “process engineering apparatus” is understood to mean an apparatus which can hold a liquid volume and is suitable for a liquid to flow through, for example a reactor, a stirred tank, a column, a phase separator or a tank. In preferred embodiments of the process according to the invention, the process engineering apparatus is a reactor.
Unter einem „Wärmeübertrager“ wird in dieser Schrift ein Apparat verstanden, der Wärme von einem Medium auf ein anderes Medium übertragen kann. Beispielhaft können Plattenwärme- übertrager oder Rohrbündelwärmeübertrager in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. In this document, a “heat exchanger” is understood to mean a device that can transfer heat from one medium to another medium. For example, plate heat exchangers or tube bundle heat exchangers can be used in the method according to the invention.
Ein „Primärkreislauf stellt in dieser Schrift einen Kreislaufstrom dar, bei dem eine Flüssigkeit aus dem verfahrenstechnischen Apparat gefördert, zumindest teilweise einem Wärmeübertra- ger zugeführt und zumindest teilweise dem Apparat wieder zurückgeführt wird. Der Primärkreis- lauf kann auch Verzweigungen enthalten, beispielsweise als Bypass parallel zum verfahrens- technischen Apparat. Es können auch mehrere Wärmetauscher in dem Primärkreislauf vorhan- den sein, beispielsweise als Parallelschaltungen, Serienschaltungen oder Kombinationen von Parallel- und Serienschaltungen. In this document, a “primary circuit” represents a circuit stream in which a liquid is conveyed out of the process engineering apparatus, at least partially fed to a heat exchanger and at least partially returned to the apparatus. The primary circuit The flow can also contain branches, for example as a bypass parallel to the process engineering apparatus. There can also be several heat exchangers in the primary circuit, for example as parallel circuits, series circuits or combinations of parallel and series circuits.
Ein „Regelungsalgorithmus“ im Sinne dieser Schrift generiert ein Stellsignal zur Manipulation der Durchflussmenge des Flüssigkeitsstroms durch den Wärmeübertrager im Primärkreislauf in Abhängigkeit von einer oder mehreren Regelabweichungen, unter anderem der Temperaturdif- ferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Apparat. Er- findungsgemäß generiert der Regelungsalgorithmus das Stellsignal zusätzlich in Abhängigkeit von dem durch einen Wärmeübertrager entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom. Der Wärmestrom stellt, ebenso wie die Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat, eine Einflussgröße für den Regelungsalgorithmus dar. Weitere Ein- flussgrößen können in dem Regelungsalgorithmus zur Berechnung des Stellsignals berücksich- tigt werden, beispielsweise Eduktmengenströme oder Größen, die eine chemische Umsetzung im Apparat repräsentieren. A "control algorithm" in the sense of this document generates a control signal to manipulate the flow rate of the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit depending on one or more control deviations, including the temperature difference between the actual value and the setpoint of the temperature of the liquid in the apparatus. According to the invention, the control algorithm additionally generates the control signal as a function of the heat flow removed or added by a heat exchanger. The heat flow, like the temperature difference between the actual value and the setpoint of the liquid in the apparatus, represents an influencing variable for the control algorithm represent chemical reaction in the apparatus.
Der Regelungsalgorihmus kann sich durch eine direkte elektronische Verschaltung von Hard- warekomponenten ergeben. Beispiele für Hardwarekomponenten sind PID-Regler, Temperatur- sensoren, Durchflusssensoren und Stellorgane zur Einstellung des Mengenstroms des Wärme- trägermediums im Sekundärkreislauf oder des Durchflusses des Stromes der Flüssigkeit im Pri- märkreislauf. Der Regelungsalgorihmus kann sich ferner auch durch ein Zusammenspiel zwi- schen Hardware- und Softwarekomponenten ergeben, wobei die Softwarekomponenten auf Ba- sis von Eingangsgrößen ein oder mehrere Ausgangssignale durch computerimplementierte, nu- merische Algorithmen berechnen. Das Ausgangssignal kann beispielhaft das Stellsignal für ein Stellorgan sein, welches z.B. den Durchfluss des Stromes der Flüssigkeit einstellt. The control algorithm can result from a direct electronic interconnection of hardware components. Examples of hardware components are PID controllers, temperature sensors, flow sensors and actuators for setting the mass flow of the heat transfer medium in the secondary circuit or the flow of the liquid stream in the primary circuit. The control algorithm can also result from an interaction between hardware and software components, with the software components calculating one or more output signals on the basis of input variables using computer-implemented, numerical algorithms. The output signal can, for example, be the actuating signal for an actuator which, for example, adjusts the flow of the liquid stream.
Die konkrete Ausgestaltung, wie die einzelnen Einflussgrößen miteinander Zusammenhängen und wie die Einflussgrößen das Stellsignal im Detail generieren, kann durch beispielsweise ei- nen mathematischen Zusammenhang, bevorzugt durch eine mathematische, algebraische Funktion, oder durch partielle oder gewöhnliche Differentialgleichungen, beschrieben werden. The specific configuration of how the individual influencing variables are related to one another and how the influencing variables generate the control signal in detail can be described by a mathematical relationship, preferably by a mathematical, algebraic function, or by partial or ordinary differential equations.
In vielen Fällen werden verfahrenstechnische Prozesse durch ein Prozessleitsystem geregelt und/oder gesteuert, welche bevorzugt Eingrößen-Regler einsetzen. Die Eingrößen-Regler er- halten ein Eingangssignal und geben entsprechend ihres Regelungsalgorithmus ein Ausgangs- signal aus. So kann bevorzugt ein Eingrößen-Regler auch ein PID-Regler sein. Im Folgenden sind die mathematischen Zusammenhänge für den PID-Regler beispielhaft dar- gelegt. In many cases, process engineering processes are regulated and/or controlled by a process control system, which preferably uses single-variable controllers. The single-variable controllers receive an input signal and emit an output signal according to their control algorithm. A one-variable controller can preferably also be a PID controller. The mathematical relationships for the PID controller are presented below as an example.
Hierbei sind y(t ) der Reglerausgang in Abhängigkeit von der Zeit t, e(t ) die Regelabweichung in Abhängigkeit von der Zeit t, KP die Reglerverstärkung, welche den proportionalen Anteil der Reglerfunktion repräsentiert, 7) die Integrationszeitkonstante, welche den integralen Anteil der Reglerfunktion repräsentiert, t die Integrationsvariable und Td die Ableitungszeitkonstante, wel- che den differentiellen Anteil der Reglerfunktion repräsentiert. Die Regelabweichung e(t) be- rechnet sich als Differenz zwischen dem Sollwert w(t) und dem Istwert x(t) zu e(t) = w(t) - x(t). Here y(t) is the controller output as a function of time t, e(t) is the system deviation as a function of time t, K P is the controller gain, which represents the proportional part of the controller function, 7) the integration time constant, which represents the integral part of the controller function, t the integration variable and T d the derivative time constant, which represents the differential part of the controller function. The control deviation e(t) is calculated as the difference between the target value w(t) and the actual value x(t) to e(t) = w(t) - x(t).
Der Regelungsalgorithmus kann auch ein adaptiver Regelungsalgorithmus sein. Beispielsweise kann der Regelungsalgorithmus so konfiguriert sein, dass ein Parameter des Regelungsalgo- rithmus, z.B. die Reglerverstärkung KP, nicht fest vorgegeben ist, sondern sein Wert über die Zeit in Abhängigkeit von bestimmten Prozessgrößen berechnet wird. Beispielsweise kann die Reglerverstärkung KP als Funktion des Wärmekapazitätsstroms auf der Primärseite und/oder der Sekundärseite des Wärmetauschers formuliert werden, um Nichtlinearitäten der Wärme- übertragercharakteristik zu kompensieren. Die Nichtlinearitäten können für die unterschiedli- chen Strömungsführungen aus bekannter Fachliteratur entnommen werden, beispielsweise aus dem VDI-Wärmeatlas (VDI-Wärmeatlas, Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 12. Auflage,The control algorithm can also be an adaptive control algorithm. For example, the control algorithm can be configured in such a way that a parameter of the control algorithm, for example the controller gain K P , is not permanently specified, but rather its value is calculated over time as a function of specific process variables. For example, the controller gain K P can be formulated as a function of the thermal capacity flow on the primary side and/or the secondary side of the heat exchanger in order to compensate for non-linearities in the heat exchanger characteristics. The non-linearities for the different flow patterns can be taken from well-known specialist literature, for example from the VDI heat atlas (VDI heat atlas, Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 12th edition,
2019, ISBN 978-3-662-52988-1, eBook: 978-3-662-52989-8). 2019, ISBN 978-3-662-52988-1, eBook: 978-3-662-52989-8).
Unter einer „Störgröße“ wird in dieser Schrift eine gemessene oder geschätzte Prozessgröße verstanden, die störend auf die zu regelnde Größe einwirkt und nicht durch den Regelungsalgo- rithmus beeinflusst wird. Beispielsweise kann dies ein Rohstoffstrom in den verfahrenstechni- schen Apparat oder ein hinzugefügter oder entnommener Wärmestrom sein. In this document, a “disturbance variable” is understood to mean a measured or estimated process variable that has a disruptive effect on the variable to be controlled and is not influenced by the control algorithm. For example, this can be a raw material flow into the process engineering apparatus or an added or removed heat flow.
Eine „Störgrößenaufschaltung“ bedeutet in dieser Schrift, dass der Regelungsalgorithmus eine Störgröße bei der Berechnung eines Stellsignals berücksichtigt. In this document, "interference control" means that the control algorithm takes a disturbance variable into account when calculating a control signal.
Unter einer „Flüssigkeit“ wird in dieser Schrift ein einphasiges oder mehrphasiges Fluid verstan- den. Die Flüssigkeit ist somit fließfähig und durch den Primärkreislauf förderbar. Die Flüssigkeit kann auch Gasanteile und/oder Feststoffantei le enthalten, insofern solch eine Flüssigkeit noch förderbar ist. Unter dem Begriff „Flüssigkeitsstrom“ wird in dieser Schrift der „Durchfluss der Flüssigkeit“ im Sinne der „Durchflussmenge des Stromes der Flüssigkeit“ verstanden, sofern sich aus dem Zu- sammenhang nicht eine abweichende Bedeutung ergibt. Mithin werden diese drei Begrifflichkei- ten in dieser Schrift austauschbar verwendet. A “liquid” is understood in this document to mean a single-phase or multi-phase fluid. The liquid is thus free-flowing and can be conveyed through the primary circuit. The liquid can also contain gas fractions and/or solid fractions, insofar as such a liquid can still be pumped. In this document, the term “liquid flow” is understood to mean the “flow of the liquid” in the sense of the “flow rate of the flow of the liquid”, unless a different meaning results from the context. Consequently, these three terms are used interchangeably in this document.
Unter einem „Wärmeträgermedium“ wird in dieser Schrift ein einphasiges oder mehrphasiges Fluid verstanden, beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Gas, ein Dampf oder Gemische hieraus. Das Wärmeträgermedium ist somit fließfähig und durch den Sekundärkreislauf förderbar. Das Wärmeträgermedium kann auch Feststoffanteile enthalten, insofern solch ein Wärmeträgerme- dium noch förderbar ist. In einigen Anwendungsfällen ist das Wärmeträgermedium vorzugs- weise Heizdampf, Luft oder gefiltertes Flusswasser. In this document, a “heat transfer medium” is understood to mean a single-phase or multi-phase fluid, for example a liquid, a gas, a vapor or mixtures thereof. The heat transfer medium is therefore free-flowing and can be conveyed through the secondary circuit. The heat transfer medium can also contain solids, insofar as such a heat transfer medium can still be pumped. In some applications, the heat transfer medium is preferably heating steam, air or filtered river water.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Regelungsal- gorithmus eine Wärmestromdifferenz zwischen dem ermittelten Wärmestrom als Istwert und ei- nem fest oder im zeitlichen Verlauf änderbaren vorgegebenen Sollwert des Wärmestroms ermit- telt. Auf Basis dieser Wärmestromdifferenz und der ermittelten Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Apparat wird ein Stellsignal be- rechnet, auf Basis dessen die Durchflussmenge des Stromes der Flüssigkeit durch den Wärme- übertrager im Primärkreislauf und/oder ein Mengenstrom des Wärmeträgermediums durch den Wärmeübertrager im Sekundärkreislauf manipuliert wird. In a preferred embodiment of the method according to the invention, a heat flow difference between the ascertained heat flow as an actual value and a fixed setpoint value or one that can be changed over time is determined in the control algorithm. On the basis of this heat flow difference and the determined temperature difference between the actual value and the set value of the liquid temperature in the apparatus, a control signal is calculated, on the basis of which the flow rate of the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit and/or a volume flow of the heat transfer medium manipulated by the heat exchanger in the secondary circuit.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmestrom aus dem Flüssigkeitsstrom durch den Wärmeübertrager im Primärkreislauf sowie aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeüber- trager im Primärkreislauf ermittelt. In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung wird der Wärmestrom aus einem Mengenstrom des Wärmeträgermediums durch den Wärmeübertrager im Sekundärkreislauf sowie aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wär- meträgermediums vor und nach dem Wärmeübertrager im Sekundärkreislauf ermittelt. Diese beiden bevorzugten Ausgestaltungen können auch kombiniert werden, sodass der Wärmestrom aus einem Flüssigkeitsstrom durch den Wärmeübertrager im Primärkreislauf sowie aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeüber- trager im Primärkreislauf und aus einem Mengenstrom des Wärmeträgermediums durch den Wärmeübertrager im Sekundärkreislauf sowie aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wärmeträgermediums vor und nach dem Wärmeübertrager im Sekundärkreis- lauf ermittelt wird. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the heat flow is determined from the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit and from a temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger in the primary circuit. In an alternative preferred embodiment, the heat flow is determined from a mass flow of the heat transfer medium through the heat exchanger in the secondary circuit and from a temperature difference between the temperature of the heat transfer medium before and after the heat exchanger in the secondary circuit. These two preferred configurations can also be combined so that the heat flow from a liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit and from a temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger in the primary circuit and from a mass flow of the heat transfer medium through the heat exchanger in the secondary circuit as well is determined from a temperature difference between the temperature of the heat transfer medium before and after the heat exchanger in the secondary circuit.
Die Ermittlung des Wärmestroms gemäß dieser Ausgestaltung hat den Vorteil der leichten messtechnischen Umsetzbarkeit. Bewährte und zuverlässige Sensoren für Durchfluss und Temperatur sind für unterschiedliche Anwendungsfälle kommerziell verfügbar, sodass gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine einfache und zuverlässige Er- mittlung des Wärmestroms realisiert werden kann. Zudem können durch die Erfassung der zur Ermittlung verwendeten Durchflüsse und Temperaturen in der Nähe des Wärmeübertragers ge- gebenenfalls dort auftretende Störungen oder Schwankungen schnell erfasst und bei der Tem- peraturregelung berücksichtigt werden, bevor sich die Störungen oder Schwankungen auf die Temperatur im verfahrenstechnischen Apparat auswirken. The determination of the heat flow according to this embodiment has the advantage of easy metrological implementation. Proven and reliable sensors for flow and Temperature are commercially available for different applications, so that a simple and reliable determination of the heat flow can be realized according to this embodiment of the method according to the invention. In addition, by recording the flows and temperatures used for determination in the vicinity of the heat exchanger, any faults or fluctuations that may occur there can be quickly detected and taken into account in the temperature control before the faults or fluctuations affect the temperature in the process engineering apparatus.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Regelungsalgorithmus einen Temperaturregler und einen Wärmestromregler, wobei der Tem- peraturregler in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Soll- wert der Flüssigkeit im Apparat als Ausgangssignal einen Sollwert für den der Flüssigkeit im Pri- märkreislauf durch den Wärmeübertrager entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom be- rechnet, dieser Sollwert an den Wärmestromregler übergeben wird, und der Wärmestromregler in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Wärmestroms als Ausgangssignal das Stellsignal zur Manipulation des Flüssigkeitsstroms im Primärkreislauf und/oder zur Manipulation des Mengenstroms des Wärmeträgermediums durch den Wärme- übertrager im Sekundärkreislauf generiert. Diese Ausgestaltung des Regelungsalgorithmus ent- spricht einer Kaskadenregelung mit dem Temperaturregler als Führungsregler und dem Wär- mestromregler als Folgeregler. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the control algorithm comprises a temperature controller and a heat flow controller, the temperature controller depending on the temperature difference between the actual value and the desired value of the liquid in the apparatus as an output signal a desired value for the liquid in the primary The heat flow taken from or added to the heat exchanger in the heat exchanger is calculated, this target value is transferred to the heat flow controller, and the heat flow controller sends the control signal for manipulating the liquid flow in the primary circuit and/or for the Manipulation of the mass flow of the heat transfer medium generated by the heat exchanger in the secondary circuit. This configuration of the control algorithm corresponds to a cascade control with the temperature controller as the master controller and the heat flow controller as the slave controller.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kaskadenregelung werden der Führungsregler und der Folgeregler jeweils als PID-Regler ausgeführt. Zum Aufbau der Kaskade wird der Regleraus- gang yt(t) des Führungsreglers gleich dem Sollwert w2(t) des Folgereglers gesetzt. Die Ist- werte ergeben sich aus der Messung der Temperatur im Apparat und dem ermittelten Wär- mestrom. In an advantageous embodiment of the cascade control, the master controller and the slave controller are each designed as PID controllers. To set up the cascade, the controller output y t (t) of the master controller is set equal to the setpoint w 2 (t) of the slave controller. The actual values result from the measurement of the temperature in the apparatus and the determined heat flow.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Kaskadenregelung sind in dem Führungs- regler und dem Folgeregler folgende Gleichungen implementiert: y2 (t) mHE sou In a particularly preferred embodiment of the cascade control, the following equations are implemented in the master controller and the slave controller: y 2 (t) m HE so u
Hierbei sind der Sollwert des Wärmestroms, der durch den Führungsregler bestimmt wird, KP 1 die Reglerverstärkung des Führungsreglers für die Temperatur der Flüssigkeit im Ap- parat, TR sou der Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Apparat, TR der Istwert der Tempe- ratur der Flüssigkeit im Apparat, Ti,1 die Integrationszeitkonstante des Führungsreglers für die Temperatur der Flüssigkeit im Apparat, Td,1 die Ableitungszeitkonstante des Führungsreglers für die Temperatur der Flüssigkeit im Apparat, der Sollwert des geregelten Massenstroms durch den Wärmeübertrager, KP,2 die Reglerverstärkung des Folgereglers für den Wärmestrom, der Istwert des Wärmestroms, Ti,2 die Integrationszeitkonstante des Folgereglers für den Wärmestrom und Td,2 die Ableitungszeitkonstante des Folgereglers für den Wärmestrom. Here are the setpoint of the heat flow, which is determined by the master controller is, K P 1 the controller gain of the master controller for the temperature of the liquid in the apparatus, T R so u the set value of the temperature of the liquid in the apparatus, T R the actual value of the temperature of the liquid in the apparatus, T i,1 die integration time constant of the master controller for the temperature of the liquid in the apparatus, T d,1 the derivative time constant of the master controller for the temperature of the liquid in the apparatus, the setpoint of the controlled mass flow through the heat exchanger, K P,2 is the controller gain of the heat flow slave, the actual value of the heat flow, T i,2 is the integration time constant of the heat flow slave and T d,2 is the derivative time constant of the heat flow slave.
Es hat sich herausgestellt, dass der der Flüssigkeit im Primärkreislauf durch den Wärmeübertra- ger entnommene oder hinzugefügte Wärmestrom schneller auf Stelleingriffe des Regelungsal- gorithmus oder Störungen reagiert als die in dem verfahrenstechnischen Apparat messbare Temperatur. Eine Kaskadierung von Temperaturregler als Führungsregler und Wärmestromreg- ler als Folgeregler hat den Vorteil, dass die Unterschiede in den Dynamiken der Teilregelkreise genutzt werden, um die Soll-Temperatur im verfahrenstechnischen Apparat bei Sollwertände- rungen oder Störungen schneller und präziser einzustellen. Die Regelgüte des Regelungsalgo- rithmus wird somit verbessert. It has been found that the heat flow taken from or added to the liquid in the primary circuit by the heat exchanger reacts more quickly to control interventions of the control algorithm or to disturbances than the temperature that can be measured in the process engineering apparatus. A cascade of temperature controllers as master controllers and heat flow controllers as slave controllers has the advantage that the differences in the dynamics of the sub-control loops are used to set the setpoint temperature in the process engineering apparatus more quickly and precisely in the event of setpoint changes or faults. The control quality of the control algorithm is thus improved.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im Primärkreislauf zumindest ein Bypass parallel zu dem Wärmeübertrager geschaltet. Hierdurch kann der Flüssigkeitsstrom im Primärkreislauf flexibler gestaltet werden. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn es technische oder prozessbe- dingte Restriktionen gibt, die sich auf den Flüssigkeitsstrom im Primärkreislauf auswirken. So kann zum Beispiel beim Einsatz eines kosteneffizienten Luftkühlers als Wärmeübertrager übli- cherweise die Kühlleistung nur stufenweise oder nur auf einen konstanten Wert eingestellt wer- den. In einem solchen Fall, bei dem der Luftkühler konstant betrieben wird, hat ein Bypass im Primärkreislauf auch den Vorteil, dass der Durchfluss der Flüssigkeit durch den Wärmeübertra- ger sehr einfach geregelt werden kann, indem die Regelung der Temperatur im verfahrenstech- nischen Apparat durch die Manipulation des Flüssigkeitsstromes durch den Bypass erfolgen kann. Die Manipulation des Flüssigkeitsstroms durch den Wärmeübertrager im Primärkreislauf kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden, beispielsweise direkt, indirekt oder durch eine Kombination von direkter und indirekter Manipulation. In a preferred embodiment, at least one bypass is connected in parallel to the heat exchanger in the primary circuit. As a result, the flow of liquid in the primary circuit can be made more flexible. This is advantageous, for example, when there are technical or process-related restrictions that affect the liquid flow in the primary circuit. For example, when using a cost-efficient air cooler as a heat exchanger, the cooling capacity can usually only be set in stages or only to a constant value. In such a case, in which the air cooler is operated constantly, a bypass in the primary circuit also has the advantage that the flow of the liquid through the heat exchanger can be controlled very easily by controlling the temperature in the process engineering apparatus through the Manipulation of the liquid flow can be done through the bypass. The manipulation of the liquid flow through the heat exchanger in the primary circuit can be realized in different ways, for example directly, indirectly or through a combination of direct and indirect manipulation.
Bei einer direkten Manipulation des Flüssigkeitsstroms durch den Wärmeübertrager ist bevor- zugt im Primärkreislauf in der Zuleitung zum Wärmeübertrager oder in der Ableitung vom Wär- meübertrager oder sowohl in der Zuleitung zum Wärmeübertrager als auch in der Ableitung vom Wärmeübertrager mindestens ein Stellorgan und/oder eine Pumpe zur Manipulation des Flüssigkeitsstromes auf Basis des Stellsignals vorhanden. In the case of direct manipulation of the liquid flow through the heat exchanger, at least one actuator and/or pump is preferred in the primary circuit in the supply line to the heat exchanger or in the discharge line from the heat exchanger or both in the supply line to the heat exchanger and in the discharge line from the heat exchanger available for manipulating the liquid flow based on the control signal.
Bei einer indirekten Manipulation des Flüssigkeitsstroms durch den Wärmeübertrager ist bevor- zugt in einem Bypass, der parallel zum Wärmeübertrager geschaltet ist, mindestens ein Stellor- gan und/oder eine Pumpe zur Manipulation des Flüssigkeitsstroms durch den Wärmeübertrager auf Basis des Stellsignals vorhanden. In the case of indirect manipulation of the liquid flow through the heat exchanger, at least one actuator and/or a pump for manipulating the liquid flow through the heat exchanger on the basis of the control signal is preferably present in a bypass which is connected in parallel to the heat exchanger.
Bei einer Kombination von direkter und indirekter Manipulation ist bevorzugt in einem Bypass, der parallel zum Wärmeübertrager geschaltet ist, mindestens ein Stellorgan zur Manipulation des Flüssigkeitsstromes auf Basis des Stellsignals vorhanden. Ferner ist bei dieser Variante im Primärkreislauf in der Zuleitung zum Wärmeübertrager oder in der Ableitung vom Wärmeüber- trager oder sowohl in der Zuleitung zum Wärmeübertrager als auch in der Ableitung vom Wär- meübertrager mindestens ein Stellorgan zur Manipulation des Flüssigkeitsstroms auf Basis des Stellsignals vorhanden. In the case of a combination of direct and indirect manipulation, at least one control element for manipulating the liquid flow on the basis of the control signal is preferably present in a bypass which is connected in parallel to the heat exchanger. Furthermore, in this variant in the primary circuit there is at least one control element for manipulating the liquid flow on the basis of the control signal in the feed line to the heat exchanger or in the discharge line from the heat exchanger or both in the feed line to the heat exchanger and in the discharge line from the heat exchanger.
Zur Manipulation des Mengenstroms des Wärmeträgermediums durch den Wärmeübertrager im Sekundärkreislauf auf Basis des Stellsignals ist bevorzugt in der Zuleitung zum Wärmeübertra- ger oder in der Ableitung vom Wärmeübertrager oder sowohl in der Zuleitung zum Wärmeüber- trager als auch in der Ableitung vom Wärmeübertrager mindestens ein Stellorgan vorhanden. In order to manipulate the mass flow of the heat transfer medium through the heat exchanger in the secondary circuit on the basis of the control signal, at least one control element is preferably present in the feed line to the heat exchanger or in the outlet line from the heat exchanger or both in the feed line to the heat exchanger and in the outlet line from the heat exchanger .
Geeignete Stellorgane sind dem Fachmann bekannt. Vorzugsweise ist das Stellorgan ein Re- gelventil, das geeignet ist, eine Durchflussmenge schnell und präzise einzustellen. Suitable actuators are known to those skilled in the art. The actuator is preferably a control valve that is suitable for setting a flow rate quickly and precisely.
Erfindungsgemäß wird der Flüssigkeit im Primärkreislauf durch einen Wärmeübertrager ein Wärmestrom entnommen oder hinzugefügt. Ferner wird der Flüssigkeitsstrom durch den Wär- meübertrager und/oder der Mengenstrom des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf durch ein Stellsignal manipuliert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf genau einen Wärmeübertra- ger beschränkt. Von der Erfindung erfasst sind auch Ausführungsformen, bei denen mehrere Wärmeübertrager im Primärkreislauf vorhanden sind. Diese können in Parallelschaltungen, Se- rienschaltungen oder Kombinationen von Parallel- und Serienschaltungen angeordnet sein. Da- bei wird der Flüssigkeitsstrom durch mindestens einen Wärmeübertrager manipuliert. Es kön- nen jedoch auch Flüssigkeitsströme durch mehrere Wärmeübertrager durch das erfindungsge- mäße Verfahren manipuliert werden. According to the invention, a heat flow is removed from or added to the liquid in the primary circuit by a heat exchanger. Furthermore, the flow of liquid through the heat exchanger and/or the quantity of flow of the heat transfer medium in the secondary circuit is manipulated by an actuating signal. However, the invention is not limited to exactly one heat exchanger. The invention also includes embodiments in which there are several heat exchangers in the primary circuit. These can be connected in parallel, Series circuits or combinations of parallel and series circuits can be arranged. The liquid flow is manipulated by at least one heat exchanger. However, liquid flows through several heat exchangers can also be manipulated using the method according to the invention.
In einer Ausgestaltung ist ein weiterer Wärmeübertrager im Primärkreislauf parallel zum ersten Wärmeübertrager geschaltet, sodass der verfahrenstechnische Apparat bei Bedarf von zwei Wärmeübertragern temperiert werden kann. Eine derartige Ausgestaltung erhöht die Flexibilität bezüglich der Bereitstellung von Wärmeleistung oder Kühlleistung. Ein Anwendungsbeispiel, bei dem diese Flexibilität wirtschaftlich vorteilhaft ausgenutzt werden kann, ist die Einkopplung von Wärmeleistung oder Kühlleistung aus anderen Prozessstufen oder anderen Anlagen, die an- sonsten ungenutzt bleiben würde und im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelung nicht be- einflussbar ist. In one embodiment, a further heat exchanger in the primary circuit is connected in parallel to the first heat exchanger, so that the process engineering apparatus can be temperature-controlled by two heat exchangers if required. Such a configuration increases the flexibility with regard to the provision of heat output or cooling output. An application example in which this flexibility can be used economically is the coupling of heat output or cooling output from other process stages or other systems, which would otherwise remain unused and cannot be influenced within the framework of the control according to the invention.
In einer weiteren Ausgestaltung ist im Primärkreislauf in der Zuleitung zum ersten und zum zweiten Wärmeübertrager mindestens ein Stellorgan und/oder eine Pumpe zur Manipulation des Flüssigkeitsstromes auf Basis des Stellsignals vorhanden. In a further embodiment, there is at least one control element and/or a pump for manipulating the liquid flow on the basis of the control signal in the primary circuit in the supply line to the first and to the second heat exchanger.
In einer weiteren Ausgestaltung ist im Primärkreislauf in der Zuleitung zum ersten und zum zweiten Wärmeübertrager und in einem zu den Wärmeübertragern parallelgeschalteten Bypass mindestens ein Stellorgan und/oder eine Pumpe zur Manipulation des Flüssigkeitsstromes auf Basis des Stellsignals vorhanden. In another embodiment, there is at least one actuator and/or pump for manipulating the liquid flow based on the control signal in the primary circuit in the supply line to the first and second heat exchangers and in a bypass connected in parallel to the heat exchangers.
Bei den Ausgestaltungen, welche in einem Bypass ein Stellorgan besitzen und/oder welche mindestens zwei Wärmeübertrager mit ihnen jeweils zugeordneten Stellorganen besitzen, kann der Flüssigkeitsstrom durch den jeweiligen Wärmeübertrager begrenzt werden. Dies ist beson- ders dann ein Vorteil, wenn beispielsweise eine Pumpe für den Primärkreislauf nur einen kon- stanten Flüssigkeitsstrom fördern kann. In the configurations which have an actuator in a bypass and/or which have at least two heat exchangers with actuators assigned to them, the liquid flow through the respective heat exchanger can be limited. This is a particular advantage if, for example, a pump for the primary circuit can only deliver a constant flow of liquid.
Bei einer Ausgestaltung, bei der der Flüssigkeitsstrom im Primärkreislauf durch eine Pumpe mit variabler Fördermenge gefördert wird, kann diese Pumpe vorteilhaft zur Manipulation der Durchflussmenge des Stromes der Flüssigkeit durch den Wärmeübertrager auf Basis des Stell- signals verwendet werden, beispielsweise indem das Stellsignal die Drehzahl der Pumpe vor- gibt. In an embodiment in which the liquid flow in the primary circuit is conveyed by a pump with a variable delivery rate, this pump can advantageously be used to manipulate the flow rate of the flow of liquid through the heat exchanger on the basis of the control signal, for example by the control signal changing the speed of the pump.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst der Regelungsalgorithmus eine Split-Range-Regelung, bei der anstatt eines Stellsignals mindestens zwei Stellsignale berechnet und mindestens zwei Ströme im Primärkreislauf und/oder im Sekundärkreislauf manipuliert werden, wobei ein erster Strom in Abhängigkeit von einem ersten Stellsignal und ein zweiter Strom in Abhängigkeit von einem zweiten Stellsignal manipuliert werden. In a further embodiment, the control algorithm includes a split-range control in which, instead of one control signal, at least two control signals are calculated and at least two streams in the primary circuit and/or in the secondary circuit are manipulated, with a first Current can be manipulated as a function of a first control signal and a second current as a function of a second control signal.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst der Regelungsalgorithmus eine Split-Range-Regelung, bei der mindestens zwei Stellsignale berechnet und mindestens zwei Ströme im Primärkreislauf manipuliert werden, wobei ein erster Flüssigkeitsstrom in Abhängigkeit von einem ersten Stell- signal und ein zweiter Flüssigkeitsstrom in Abhängigkeit von einem zweiten Stellsignal manipu- liert werden. In a further embodiment, the control algorithm includes a split-range control in which at least two control signals are calculated and at least two flows in the primary circuit are manipulated, with a first liquid flow depending on a first control signal and a second liquid flow depending on a second control signal be manipulated.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst der Regelungsalgorithmus eine Split-Range-Regelung, bei der mindestens zwei Stellsignale berechnet und mindestens zwei Ströme im Sekundärkreis- lauf manipuliert werden, wobei ein erster Mengenstrom in Abhängigkeit von einem ersten Stell- signal und ein zweiter Mengenstrom in Abhängigkeit von einem zweiten Stellsignal manipuliert werden. In a further embodiment, the control algorithm includes a split-range control in which at least two control signals are calculated and at least two streams in the secondary circuit are manipulated, with a first volume flow depending on a first control signal and a second volume flow depending on a second control signal can be manipulated.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst der Regelungsalgorithmus eine Split-Range-Regelung, bei der mindestens zwei Stellsignale berechnet und mindestens zwei Ströme, davon einer im Primärkreislauf und einer im Sekundärkreislauf, manipuliert werden, wobei ein Flüssigkeitsstrom im Primärkreislauf in Abhängigkeit von einem ersten Stellsignal und ein Mengenstrom im Se- kundärkreislauf in Abhängigkeit von einem zweiten Stellsignal manipuliert werden. In a further embodiment, the control algorithm includes a split-range control, in which at least two control signals are calculated and at least two flows, one in the primary circuit and one in the secondary circuit, are manipulated, with a liquid flow in the primary circuit depending on a first control signal and a volume flow be manipulated in the secondary circuit depending on a second control signal.
Ausgestaltungen mit Split-Range-Regelungen sind insbesondere dann von Vorteil, wenn Stell- organe mit unterschiedlichen Nennweiten und somit signifikant unterschiedlichen Durchfluss- mengen vorhanden sind. In einem solchen Fall lässt sich eine präzise Steuerung des Mengen- stroms des Wärmeträgermediums gewährleisten, indem ein großes Stellorgan, welches für große Mengenströme ausgelegt ist, und ein kleines Stellorgan, welches für kleine Mengen- ströme ausgelegt ist, in einer Parallelschaltung angeordnet sind. Configurations with split-range controls are particularly advantageous when there are control elements with different nominal widths and thus significantly different flow rates. In such a case, precise control of the volume flow of the heat transfer medium can be ensured by arranging a large actuator, which is designed for large volume flows, and a small actuator, which is designed for small volume flows, in a parallel connection.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der im Primär- kreislauf zumindest ein Bypass parallel zu einem Wärmeübertrager geschaltet ist, wird die aus dem verfahrenstechnischen Apparat in den Primärkreislauf geförderte Flüssigkeitsmenge auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt, indem der Istwert der Flüssigkeitsmenge ermittelt wird, aus dem Vergleich zwischen Istwert und Sollwert ein Ausgangssignal berechnet wird, und der durch den Bypass strömende Flüssigkeitsstrom durch das Ausgangssignal manipuliert wird. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der aus dem verfahrenstechni- schen Apparat in den Primärkreislauf geförderte Flüssigkeitsstrom konstant gehalten werden soll oder muss, zugleich aber eine effiziente Regelung der Temperatur in dem Apparat ange- strebt wird. In einerweiteren Ausgestaltung berücksichtigt der Regelungsalgorithmus bei der Berechnung des Stellsignals mindestens eine Störgröße, wobei die Störgröße eine gemessene oder ge- schätzte Prozessgröße umfasst. So kann die Störgröße beispielsweise einen Rohstoffstrom darstellen, der in den verfahrenstechnischen Apparat geleitet wird. Die Störgröße kann auch beispielsweise einen oder mehrere weitere Wärmeströme umfassen. Hierbei ergibt sich u.a. der Vorteil, dass die Regelung bei beispielsweise einer bevorstehenden Änderung der freigesetzten oder verbrauchten Wärme im Apparat aufgrund von geänderten Eingangsströmen rechtzeitig reagieren kann. Es können auch mehrere oder kombinierte Störgrößen beachtet werden. In a preferred embodiment of the method according to the invention, in which at least one bypass is connected in parallel to a heat exchanger in the primary circuit, the amount of liquid conveyed from the process engineering apparatus into the primary circuit is set to a predetermined setpoint by determining the actual value of the amount of liquid an output signal is calculated from the comparison between the actual value and the desired value, and the liquid flow flowing through the bypass is manipulated by the output signal. This configuration is particularly advantageous when the liquid flow conveyed from the process engineering apparatus into the primary circuit should or must be kept constant, but at the same time efficient control of the temperature in the apparatus is sought. In a further refinement, the control algorithm takes into account at least one disturbance variable when calculating the actuating signal, the disturbance variable comprising a measured or estimated process variable. For example, the disturbance variable can represent a flow of raw materials that is fed into the process engineering apparatus. The disturbance variable can also include, for example, one or more additional heat flows. This results, inter alia, in the advantage that the regulation can react in good time, for example, to an impending change in the heat released or consumed in the apparatus due to changed input currents. Several or combined disturbance variables can also be taken into account.
In einerweiteren Ausgestaltung läuft in dem verfahrenstechnischen Apparat eine chemische oder biologische, endotherme oder exotherme Reaktion oder ein exothermer oder endothermer physikalischer Prozess ab. In a further embodiment, a chemical or biological, endothermic or exothermic reaction or an exothermic or endothermic physical process takes place in the process engineering apparatus.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der Reaktion um eine Hydroformylie- rung, Veretherung, Etherrückspaltung, Enalisierung, Dehydrierung, Pyrolyse, Hydrierung oder einen Crackprozess. In a preferred embodiment, the reaction is a hydroformylation, etherification, ether splitting, enalization, dehydrogenation, pyrolysis, hydrogenation or a cracking process.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Hydrierung eine Vollhydrierung, Selek- tivhydrierung oder Kernhydrierung. In a particularly preferred embodiment, the hydrogenation is a complete hydrogenation, selective hydrogenation or core hydrogenation.
Bei derartigen Reaktionen und Prozessen können große Laständerungen oder Beeinflussungen durch Störgrößen auftreten. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet insbesondere bei solch anspruchsvollen Regelungsaufgaben eine schnelle und robuste Einstellung der ge- wünschten Temperatur in dem verfahrenstechnischen Apparat. In such reactions and processes, large changes in load or influences by disturbances can occur. The method according to the invention ensures, particularly in the case of such demanding control tasks, that the desired temperature is set quickly and reliably in the process engineering apparatus.
In einerweiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Regelungsalgorithmus um einen Mehr- größenregler, bevorzugt einen Modellprädiktiven Regler oder einen Zustandsraumregler. Hier- durch ergibt sich u.a. der Vorteil, dass mehrere physikalischen Größen im Verfahren gleichzeitig erfasst und zur Regelung verwendet werden können. In a further refinement, the control algorithm is a multivariable controller, preferably a model predictive controller or a state space controller. This results in the advantage, among other things, that several physical variables can be recorded simultaneously in the process and used for control.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeich- nungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfin- dung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. The drawings are to be understood as representations of the principle. They do not represent any limitation of the invention, for example with regard to specific dimensions or design variants. Show it:
Fig. 1: Verfahrenstechnischer Apparat mit externen Wärmeübertragern und Regelstruktur zur Regelung der Reaktortemperatur gemäß Stand der Technik Fig. 2: Verfahrenstechnischer Apparat mit externen Wärmeübertragern und Regelstruktur zur Regelung der Reaktortemperatur gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausfüh- rungsform 1: Process engineering apparatus with external heat exchangers and control structure for controlling the reactor temperature according to the prior art 2: Process engineering apparatus with external heat exchangers and control structure for controlling the reactor temperature according to a first embodiment of the invention
Fig. 3: Verfahrenstechnischer Apparat mit externen Wärmeübertragern und Regelstruktur zur Regelung der Reaktortemperatur gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausfüh- rungsform 3: Process engineering apparatus with external heat exchangers and control structure for controlling the reactor temperature according to a second embodiment of the invention
Fig. 4: Verfahrenstechnischer Apparat mit externen Wärmeübertragern und Regelstruktur zur Regelung der Reaktortemperatur gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausfüh- rungsform 4: Process engineering apparatus with external heat exchangers and control structure for controlling the reactor temperature according to a third embodiment of the invention
Fig. 5: Verfahrenstechnischer Apparat mit externen Wärmeübertragern und Regelstruktur zur Regelung der Reaktortemperatur gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausfüh- rungsform 5: Process engineering apparatus with external heat exchangers and control structure for controlling the reactor temperature according to a fourth embodiment of the invention
Fig. 6: Führungsverhalten bei Sollwertänderung um 1°C für Beispiel 1 bei Regelung entspre- chend dem Stand der Technik mit Temperatur-Temperatur-Kaskade Fig. 6: Control behavior for a setpoint change of 1°C for example 1 with state-of-the-art control with a temperature-temperature cascade
Fig. 7: Führungsverhalten bei Sollwertänderung um 1°C für Beispiel 1 bei erfindungsgemäßer Regelung mit Temperatur- Wärmestrom-Kaskade Fig. 7: Control behavior when the setpoint changes by 1°C for example 1 with control according to the invention with a temperature-heat flow cascade
Fig. 8: Störungsverhalten bei Änderung des Propenzulaufs um 10 % für Beispiel 1 bei Rege- lung entsprechend dem Stand der Technik mit Temperatur-Temperatur-KaskadeFig. 8: Disturbance behavior when changing the propene feed by 10% for example 1 with control according to the state of the art with temperature-temperature cascade
Fig. 9: Störungsverhalten bei Änderung des Propenzulaufs um 10 % für Beispiel 1 bei erfin- dungsgemäßer Regelung mit Temperatur- Wärmestrom-Kaskade 9: Disturbance behavior when the propene feed changes by 10% for example 1 with control according to the invention with a temperature-heat flow cascade
Fig. 10: Störungsverhalten bei Änderung des abzuziehenden Wärmestroms durch eine Wär- meintegration um 10 % für Beispiel 1 bei Regelung entsprechend dem Stand der Tech- nik mit Temperatur-Temperatur-Kaskade. Fig. 10: Disturbance behavior when the heat flow to be subtracted changes by heat integration by 10% for example 1 with state-of-the-art control with temperature-temperature cascade.
Fig. 11 : Störungsverhalten bei Änderung des abzuziehenden Wärmestroms durch eine Wär- meintegration um 10 % für Beispiel 1 bei erfindungsgemäßer Regelung mit Tempera- tur- Wärmestrom-Kaskade. 11: Disturbance behavior when the heat flow to be drawn off changes by heat integration by 10% for example 1 with regulation according to the invention with a temperature-heat flow cascade.
Liste der verwendeten Bezugszeichen: List of reference symbols used:
101 Verfahrenstechnischer Apparat 101 Process Engineering Apparatus
102 Primärkreislauf 102 primary circuit
103 Wärmeübertrager 103 heat exchanger
104 Sekundärkreislauf 104 secondary circuit
105 T emperaturregler mit T emperatursensor im verfahrenstechnischen Apparat 105 T emperature controller with temperature sensor in the process engineering apparatus
106 Wärmestromfolgeregler 106 heat flow follower
108, 109 Stellorgan 108, 109 actuator
110 Pumpe 110 pump
111 Leitung zur Materialrückgewinnung 112 Temperatursensor in der Rückführung des Primärkreislaufs zum verfahrenstechnischen Apparat 111 Material recovery line 112 Temperature sensor in the return of the primary circuit to the process engineering apparatus
113 Temperaturfolgeregler beinhaltend einen Temperatursensor in der Rückleitung des Wär- meübertragers 113 Temperature sequence controller containing a temperature sensor in the return line of the heat exchanger
120 Leitung (Synthesegas) 120 line (syngas)
121 Leitung (Propen) 121 line (propene)
122 Leitung (Lösungsmittel) 122 Line (Solvent)
123 Leitung für den Austrag des Zielprodukts 123 line for the discharge of the target product
124 Regler für den Flüssigkeitspegel im verfahrenstechnischen Apparat 124 Controller for the liquid level in the process engineering apparatus
125 Druckregler 125 pressure regulator
126, 127, 128, 129, 130, 140 Stellorgan 126, 127, 128, 129, 130, 140 actuator
141 externe Vorgabe eines Drucksignals 141 external specification of a pressure signal
142 Wärmeübertrager 142 heat exchangers
143 Durchflussregler für die Einstellung des Flüssigkeitsstroms durch den Wärmeübertrager143 Flow controller for adjusting the liquid flow through the heat exchanger
144 Sekundärkreislauf 144 secondary circuit
145 Temperatursensor nach dem Wärmeübertrager 145 temperature sensor after the heat exchanger
201 Verfahrenstechnischer Apparat 201 Process engineering apparatus
202 Primärkreislauf 202 primary circuit
203 Wärmeübertrager 203 heat exchanger
204 Sekundärkreislauf 204 secondary circuit
205 Temperaturregler mit Temperatursensor im verfahrenstechnischen Apparat 205 Temperature controller with temperature sensor in the process engineering apparatus
206 Wärmestromfolgeregler 206 heat flow follower
208 Stellorgan 208 actuator
209 Großes Stellorgan zur Einstellung des Wärmeträgermedium-Stroms des Wärmeübertra- gers 209 Large control element for setting the heat transfer medium flow of the heat exchanger
210 Pumpe 210 pump
211 Leitung (Abgas) 211 pipe (exhaust gas)
212 Temperatursensor in der Rückleitung des Wärmeübertragers 214 Kleines Stellorgan 212 Temperature sensor in the return line of the heat exchanger 214 Small actuator
220 Leitung für Inertgas (Stickstoff) 220 line for inert gas (nitrogen)
221 Leitung (Aldehyd) 221 line (aldehyde)
222 Leitung (Wasser mit Katalysator) 222 line (water with catalyst)
223 Leitung für den Austrag des Zielprodukts 223 line for the discharge of the target product
224 Regler für den Flüssigkeitspegel (Wasser) im Phasenscheider 226, 227, 228, 229, 230 Stellorgan 224 controller for the liquid level (water) in the phase separator 226, 227, 228, 229, 230 actuator
231 Leitung für das Abwasser 231 pipe for the sewage
232 Regler für den Flüssigkeitspegel (Zielprodukt) im Phasenscheider 233 Stellorgan 232 controller for the liquid level (target product) in the phase separator 233 actuator
234 Split-Range Regler 240 Phasenscheider 234 split range control 240 phase separator
243 Druckregler für die Regelung des Abgasstroms 243 pressure regulator for controlling the exhaust gas flow
301 Verfahrenstechnischer Apparat 301 Process Engineering Apparatus
302 Primärkreislauf 302 primary circuit
303 Wärmeübertrager 303 heat exchanger
304 Sekundärkreislauf 304 secondary circuit
305 Temperaturregler mit Temperatursensor im verfahrenstechnischen Apparat 305 Temperature controller with temperature sensor in the process engineering apparatus
306 Wärmestromfolgeregler 306 Heat Flux Follower
307 Bypass 307 bypass
309 Stellorgan 309 actuator
310 Pumpe 310 pump
311 Leitung für das Abgas 311 pipe for the exhaust gas
312 Temperatursensor in der Rückleitung des Wärmeübertragers 312 Temperature sensor in the return line of the heat exchanger
315 Temperatursensor direkt vor der Rückführung des Flüssigkeitsstroms in den verfahrens- technischen Apparat 315 Temperature sensor directly before the liquid flow is returned to the process engineering apparatus
316 Stellorgan 316 actuator
320 Leitung (Wasserstoff) 320 line (hydrogen)
321 Leitung (Alken) 321 line (alkene)
323 Leitung (Roh-Alkohol) 323 line (raw alcohol)
324 Regler für den Flüssigkeitspegel im verfahrenstechnischen Apparat 324 Controller for the liquid level in the process engineering apparatus
325 Druckregler 325 pressure regulator
326, 327, 329, 330 Stellorgan 326, 327, 329, 330 actuator
343 Durchflussregler, welcher den Massestrom (Roh-Alkohol) vorgibt 343 flow controller, which specifies the mass flow (raw alcohol).
401 Verfahrenstechnischer Apparat 401 Process Engineering Apparatus
402 Primärkreislauf 402 primary circuit
403 Wärmeübertrager 403 heat exchanger
404 Sekundärkreislauf 404 secondary circuit
405 Temperaturregler mit Temperatursensor im verfahrenstechnischen Apparat 405 temperature controller with temperature sensor in the process engineering apparatus
406 Wärmestromfolgeregler 406 Heat Flux Follower
407 Bypass 407 bypass
408, 409 Stellorgan 410 Pumpe 408, 409 actuator 410 pump
412 Temperatursensor in der Rückleitung des Wärmeübertragers 415 Temperatursensor unmittelbar vor der Rückführung des Flüssigkeitsstroms in den verfah- renstechnischen Apparat 412 Temperature sensor in the return line of the heat exchanger 415 Temperature sensor immediately before the return of the liquid flow into the process engineering apparatus
416 Stellorgan 416 actuator
417 Störgrößenberechnung 417 Disturbance Calculation
420 Leitung (Ammoniumnitrat) 420 line (ammonium nitrate)
421 Leitung (Wasser) 421 pipe (water)
423 Leitung für den Austrag des Zielprodukts 423 line for the discharge of the target product
424 Regler für den Flüssigkeitspegel im verfahrenstechnischen Apparat 426, 427, 430 Stellorgan 424 controller for the liquid level in the process engineering apparatus 426, 427, 430 actuator
435 Druckregler für die Regelung des Wärmeträgermedium-Stroms für den Wärmeübertrager 435 pressure controller for controlling the heat transfer medium flow for the heat exchanger
Fig. 1 zeigt ein Prozessfließbild eines verfahrenstechnischen Prozesses gemäß dem Stand der Technik, bei dem die Temperatur in einem Reaktor 101 als verfahrenstechnischer Apparat über externe Wärmeübertrager 103, 142 eingestellt wird. Dem Reaktor 101 werden über separate Leitungen Einsatzstoffe zugeführt, die im Reaktor zu einem oder mehreren Produkten umge- setzt werden. In dem dargestellten Beispiel werden über die Leitung 120 ein gasförmiger Ein- satzstoff und über die Leitungen 121 und 122 flüssige oder gasförmige Einsatzstoffe zugeführt. Die Zufuhr der Einsatzstoffe in den Leitungen 121 und 122 erfolgt mengengeregelt über zwei Regelventile 127, 128 in den Zuführleitungen. Die Menge an zugeführtem gasförmigem Einsatz- stoff in der Leitung 120 wird über einen Druckregler 125 und ein Regelventil 126 in der Zuführ- leitung so eingestellt, dass ein vorgegebener Druck im Reaktor 101 gehalten wird. 1 shows a process flow diagram of a technical process according to the prior art, in which the temperature in a reactor 101 as a technical apparatus is adjusted via external heat exchangers 103, 142. Reactor 101 is fed feedstocks via separate lines, which are converted into one or more products in the reactor. In the example shown, a gaseous feedstock is fed in via line 120 and liquid or gaseous feedstocks are fed in via lines 121 and 122 . The supply of the starting materials in the lines 121 and 122 is volume-controlled via two control valves 127, 128 in the supply lines. The quantity of gaseous starting material supplied in line 120 is adjusted via a pressure controller 125 and a control valve 126 in the supply line in such a way that a predetermined pressure is maintained in reactor 101 .
Gasförmige Reaktionsprodukte sowie gegebenenfalls nicht umgesetzte gasförmige Einsatz- stoffe werden über einen gasförmigen Reaktoraustrag 111 aus dem Reaktor entfernt. Im darge- stellten Beispiel erfolgt der Austrag mengengeregelt über ein Regelventil 129 im Reaktoraustrag 111. Flüssige Reaktionsprodukte werden über eine Pumpe 110 zwangsgefördert in einen Pri- märkreislauf 102 ausgetragen, der den Reaktor 101 mit zwei externen Wärmeübertragern 103, 142 verbindet. Der aus dem Reaktor 101 in den Primärkreislauf 102 geförderte Flüssigkeits- strom wird auf die beiden Wärmeübertrager aufgeteilt und ist über Stellorgane 108, 140 in den jeweiligen Zulaufleitungen zu den Wärmeübertragern einstellbar. Die in den Wärmeübertragern erhitzten oder abgekühlten Teilströme des Primärkreislaufes werden zum Reaktor zurückge- führt. Aus dem Primärkreislauf 102 wird ein Teil des Flüssigkeitsstroms als flüssiger Reak- toraustrag 123 entnommen. Die Entnahme erfolgt über ein Regelventil 130 in der Entnahmelei- tung und über einen Standregler 124 derart, dass ein vorgegebener Flüssigkeitsstand im Reak- tor eingehalten wird. Gaseous reaction products and any unreacted gaseous starting materials are removed from the reactor via a gaseous reactor discharge 111 . In the example shown, the discharge takes place in a quantity-regulated manner via a control valve 129 in the reactor discharge 111. Liquid reaction products are forcedly conveyed by a pump 110 into a primary circuit 102, which connects the reactor 101 to two external heat exchangers 103, 142. The liquid flow conveyed from the reactor 101 into the primary circuit 102 is divided between the two heat exchangers and can be adjusted via adjusting elements 108, 140 in the respective feed lines to the heat exchangers. The partial flows of the primary circuit that are heated or cooled in the heat exchangers are returned to the reactor. Part of the liquid flow is removed from the primary circuit 102 as liquid reactor discharge 123 . The removal takes place via a control valve 130 in the removal line and via a level controller 124 in such a way that a predetermined liquid level in the reactor is maintained.
Die Temperatur im Reaktor 101 wird auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Abhängig davon, ob die Reaktion in dem Reaktor endotherm oder exotherm verläuft, muss Wärme dem Reaktor zugeführt oder aus dem Reaktor abgeführt werden. Die beiden Wärmeübertrager leisten hierzu unterschiedliche Beiträge. Während der zweite Wärmeübertrager 142 eine Grundlast des Wär- meaustausche trägt, wird der erste Wärmeübertrager 103 zur Regelung der Temperatur ver- wendet. Die Menge des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf 144 des zweiten Wärme- übertragers 142 ist nicht mengengeregelt, wohingegen die Menge des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf 104 des ersten Wärmeübertragers 103 über ein Regelventil 109 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Die Menge an Flüssigkeit, die im Primärkreislauf in den zweiten Wärmeübertrager strömt, wird in dem dargestellten Beispiel über einen Durchflussreg- ler 143 und das Regelventil 140 im Zulauf so eingestellt, dass eine Temperatur in einer nachfol- genden Prozessstufe eingehalten wird. Diese Prozessstufe ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Die Sollgröße des Durchflusses als Reglerausgang des Temperaturreglers in der nicht dargestellten Prozessstufe ist durch die gestrichelte Linie 141 symbolisiert. The temperature in the reactor 101 is set to a predetermined value. Depending on whether the reaction in the reactor is endothermic or exothermic, heat must be given to the reactor supplied or removed from the reactor. The two heat exchangers make different contributions to this. While the second heat exchanger 142 carries a base load of the heat exchange, the first heat exchanger 103 is used to regulate the temperature. The amount of heat transfer medium in the secondary circuit 144 of the second heat exchanger 142 is not volume-controlled, whereas the amount of heat transfer medium in the secondary circuit 104 of the first heat exchanger 103 is set to a predetermined value via a control valve 109 . In the example shown, the amount of liquid that flows into the second heat exchanger in the primary circuit is set via a flow controller 143 and the control valve 140 in the inlet such that a temperature is maintained in a subsequent process stage. This process stage is not shown in FIG. The set value of the flow rate as the controller output of the temperature controller in the process stage that is not shown is symbolized by the dashed line 141 .
Zur Regelung der Temperatur im Reaktor 101 ist eine Kaskadenregelung vorgesehen, die einen ersten Temperaturregler 105 als Führungsregler und einen zweiten Temperaturregler 113 als Folgeregler umfasst. Dem Führungsregler 105 wird ein Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Reaktor 101 vorgegeben. Der Istwert der Temperatur im Reaktor 101 wird über einen Tem- peratursensor erfasst. In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Reaktor berechnet der Führungsregler 105 als Ausgangssignal einen Sollwert für die Temperatur der Flüssigkeit, die dem Reaktor als Rücklauf aus den Wär- meübertragern im Primärkreislauf wieder zugeführt wird. Dieser Sollwert wird an den Folgereg- ler 113 übergeben, der aus der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Tempera- tur der rückgeführten Flüssigkeit als Ausgangssignal ein Stellsignal für das Regelventil 108 im Zulauf zum ersten Wärmeübertrager generiert. A cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 101, which includes a first temperature controller 105 as master controller and a second temperature controller 113 as slave controller. A target value for the temperature of the liquid in the reactor 101 is specified for the master controller 105 . The actual value of the temperature in the reactor 101 is recorded via a temperature sensor. Depending on the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the reactor, master controller 105 calculates a setpoint value for the temperature of the liquid as an output signal, which is returned to the reactor as return flow from the heat exchangers in the primary circuit. This desired value is transferred to the sequential controller 113, which generates an actuating signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger from the difference between the actual value and the desired value of the temperature of the returned liquid as an output signal.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Prozessfließbild eines verfahrenstechnischen Prozesses gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Temperatur in einem Reaktor 101 über externe Wärmeübertrager 103, 142 eingestellt wird. Die Anordnung und Verschaltung der Apparate sowie die Basisregelungen in den Zuführ- und Abführleitungen sind identisch zu dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, sodass diesbezüglich auf die obigen Ausführungen zur Fig. 1 verwiesen wird. 2 schematically shows a process flow diagram of an industrial process according to a first embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 101 is adjusted via external heat exchangers 103, 142. The arrangement and wiring of the apparatus as well as the basic regulations in the feed and discharge lines are identical to the method according to the prior art, so that reference is made to the above explanations for FIG. 1 in this regard.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich jedoch in der Struktur zur Regelung der Reaktortemperatur von dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik. In dem in Fig. 2 darge- stellten Beispiel ist zur Regelung der Temperatur im Reaktor 101 eine Kaskadenregelung vor- gesehen, die einen Temperaturregler 105 als Führungsregler und einen Wärmestrom-Regler 106 als Folgeregler umfasst. Dem Führungsregler 105 wird ein Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Reaktor 101 vorgegeben. Der Istwert der Temperatur im Reaktor 101 wird über einen Temperatursensor erfasst. In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Reaktor berechnet der Führungsregler 105 als Aus- gangssignal einen Sollwert für den der Flüssigkeit im Primärkreislauf 102 durch die Wärmeüber- trager 103 und 142 entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom. Dieser Sollwert wird an den Wärmestromfolgeregler 106 übergeben, der aus der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Wärmestroms als Ausgangssignal ein Stellsignal für das Regelventil 108 im Zulauf zum ersten Wärmeübertrager generiert. However, the process of the present invention differs from the prior art process in the structure for controlling the reactor temperature. In the example shown in FIG. 2, a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 101, which includes a temperature controller 105 as master controller and a heat flow controller 106 as slave controller. A target value for the temperature of the liquid in the reactor 101 is specified for the master controller 105 . The actual value of the temperature in the reactor 101 is about detected by a temperature sensor. Depending on the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the reactor, master controller 105 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in primary circuit 102 by heat exchangers 103 and 142 as an output signal. This target value is transferred to the heat flow sequence controller 106, which uses the difference between the actual value and the target value of the heat flow as an output signal to generate an actuating signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger.
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel wird der der Flüssigkeit im Primärkreislauf 102 durch die Wärmeübertrager 103 und 142 entnommene oder hinzugefügte Wärmestrom aus einem Anteil des ersten Wärmeübertragers 103 und einem Anteil des zweiten Wärmeübertragers 142 be- rechnet. Der Anteil des ersten Wärmeübertragers 103 wird ermittelt aus dem durch das Regel- ventil 108 im Zulauf zum Wärmeübertrager strömenden Flüssigkeitsstrom sowie aus der Tem- peraturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeübertrager 103 im Primärkreislauf. Als Temperatur vor dem Wärmeübertrager wird der Istwert der Reaktor- temperatur 105 verwendet. Die Temperatur nach dem Wärmeübertrager wird über einen Tem- peratursensor 112 im Auslass des Wärmeübertragers ermittelt. Analog wird der Anteil des zwei- ten Wärmeübertragers 142 ermittelt aus dem durch das Regelventil 140 im Zulauf zum Wärme- übertrager strömenden Flüssigkeitsstrom sowie aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeübertrager 142 im Primärkreislauf. Als Temperatur vor dem Wärmeübertrager wird der Istwert der Reaktortemperatur 105 verwendet. Die Temperatur nach dem Wärmeübertrager wird über einen Temperatursensor 145 im Auslass des Wärmeübertragers ermittelt. In the example shown in FIG. 2, the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 102 by the heat exchangers 103 and 142 is calculated from a portion of the first heat exchanger 103 and a portion of the second heat exchanger 142. The proportion of the first heat exchanger 103 is determined from the liquid flow flowing through the control valve 108 in the inlet to the heat exchanger and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 103 in the primary circuit. The actual value of the reactor temperature 105 is used as the temperature before the heat exchanger. The temperature after the heat exchanger is determined via a temperature sensor 112 in the outlet of the heat exchanger. The proportion of the second heat exchanger 142 is determined analogously from the liquid flow flowing through the control valve 140 in the inlet to the heat exchanger and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 142 in the primary circuit. The actual value of the reactor temperature 105 is used as the temperature before the heat exchanger. The temperature after the heat exchanger is determined by a temperature sensor 145 in the outlet of the heat exchanger.
Die Regelung des Prozesses über den Wärmestrom führt zu einer deutlich besseren Regelgüte im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Regelungsverfahren, wie aus den nachfolgend angegebenen Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1 ersichtlich ist. The control of the process via the heat flow leads to a significantly better control quality compared to the control method known from the prior art, as can be seen from the comparative example 1 and example 1 given below.
In einer Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 2 werden bei der Berechnung des Stellsignals für das Regelventil 108 Störgrößen berücksichtigt. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich bei den Störgrößen um Änderungen der Zusam- mensetzung und/oder der Menge der Einsatzstoffe. Die Durchflussraten der Einsatzstoffe wer- den in den Regelventilen 126, 127 und 128 erfasst. Somit sind sowohl die absoluten Mengen als auch deren Verhältnisse zueinander bekannt. Die Messwerte dieser gemessenen Prozess- größen werden dem Wärmestromregler 106 zugeführt. Die Kenntnis der Störgrößen und deren Berücksichtigung bei der Berechnung des Stellsignals für das Regelventil 108 im Zulauf zum ersten Wärmeübertrager 103 ermöglicht ein noch schnelleres Reagieren auf Regelabweichun- gen und somit eine noch bessere Regelgüte. Fig. 3 zeigt schematisch ein Prozessfließbild eines verfahrenstechnischen Prozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Temperatur in einem Reaktor 201 als verfahrenstechnischem Apparat über einen externen Wärmeübertrager 203 eingestellt wird. Dem Reaktor 201 wird über eine Leitung ein flüssiger Einsatzstoff 221 zu- geführt, der im Reaktor zu einem oder mehreren Produkten umgesetzt wird. Hierbei erfolgt die Zuführung mengengeregelt durch ein Regelventil 227. In einem vorgegebenen Verhältnis zum Flüssigkeitsstrom der Zuführung wird ein weiterer Flüssigkeitsstrom mit Katalysator 222 hinzu- gefügt, der auch über ein Regelventil 228 mengengeregelt wird. In a variant of the first embodiment of the method according to the invention according to FIG. 2, disturbance variables are taken into account when calculating the control signal for the control valve 108. In the example shown, the disturbance variables are changes in the composition and/or the quantity of the starting materials. The feedstock flow rates are sensed in control valves 126, 127, and 128. Thus, both the absolute amounts and their ratios to one another are known. The measured values of these measured process variables are fed to the heat flow controller 106 . Knowing the disturbance variables and taking them into account when calculating the control signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger 103 enables an even faster reaction to control deviations and thus an even better control quality. 3 schematically shows a process flow diagram of a technical process according to a second embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 201 as a technical apparatus is set via an external heat exchanger 203 . A liquid starting material 221 is fed to the reactor 201 via a line and is converted into one or more products in the reactor. In this case, the supply is quantity-controlled by a control valve 227 . A further fluid flow with catalyst 222 is added in a predetermined ratio to the liquid flow of the supply, which is also quantity-controlled via a control valve 228 .
Das im Reaktor 201 entstehende flüssige Produkt wird zusammen mit der mit Katalysator ver- setzten Flüssigkeit 222 im oberen Bereich des Reaktors 201 abgezogen und einem Phasen- scheider 240 zugeführt. The liquid product formed in the reactor 201 is drawn off in the upper region of the reactor 201 together with the liquid 222 mixed with catalyst and fed to a phase separator 240 .
Um eine mögliche Ausbildung einer explosionsfähigen Atmosphäre im Phasenscheider 240 zu verhindern, wird mengengeregelt ein Inertgas 220 in den Phasenscheider 240 gefördert. Der Druck im Phasenscheider 240 wird über den Abzug von Abgas 232 durch ein Regelventil 229 geregelt, welches vom Gasdruck-Regler 243 im Phasenscheider 240 sein Stellsignal erhält. Hierbei kann das Abgas Inertgas, wie beispielhaft Stickstoff, sowie eventuelle gasförmige bzw. verdampfte Reaktionsprodukte umfassen. In order to prevent a possible formation of an explosive atmosphere in the phase separator 240, an inert gas 220 is conveyed into the phase separator 240 in a volume-controlled manner. The pressure in the phase separator 240 is regulated via the withdrawal of exhaust gas 232 by a control valve 229 which receives its control signal from the gas pressure regulator 243 in the phase separator 240 . Here, the exhaust gas can include inert gas, such as nitrogen, and any gaseous or vaporized reaction products.
Der Stand der Phasengrenzfläche zwischen den beiden flüssigen Phasen wird über den Abzug des Abwassers 231 durch einen Füllstands-Regler 224 geregelt. Der obere Gesamtstand im Behälter wird über den Produktabzug des flüssigen Produkts 223 geregelt. Hierbei erfolgt die Regelung durch eine Füllstands-Regelung 232, deren Stellsignal das Regelventil 230 steuert. The level of the phase interface between the two liquid phases is controlled by a level controller 224 via the discharge of the waste water 231 . The upper total level in the tank is controlled via the product withdrawal of the liquid product 223. In this case, regulation takes place by means of a filling level regulation 232, the actuating signal of which controls the regulating valve 230.
Ein Teilstrom der sich im Reaktor 201 befindlichen flüssigen Phase wird über eine Pumpe 210 zwangsgefördert in einen Primärkreislauf 202 ausgetragen, der den Reaktor 201 mit einem ex- ternen Wärmeübertrager 203 verbindet. Der aus dem Reaktor 201 in den Primärkreislauf 202 geförderte Mengenstrom ist durch das Regelventil 208 einstellbar. Der in dem Wärmeübertrager 203 erhitzte oder abgekühlte Strom im Primärkreislauf wird zum Reaktor 201 zurückgeführt. A partial stream of the liquid phase located in the reactor 201 is discharged by a pump 210 in a forced manner into a primary circuit 202 which connects the reactor 201 to an external heat exchanger 203 . The mass flow conveyed from the reactor 201 into the primary circuit 202 can be adjusted by the control valve 208 . The stream in the primary circuit that has been heated or cooled in the heat exchanger 203 is returned to the reactor 201 .
Im dargestellten Beispiel wird der der Flüssigkeit im Primärkreislauf 202 durch den Wärmeüber- trager 203 entnommene oder hinzugefügte Wärmestrom berechnet. Der entnommene oder hin- zugefügte Wärmestrom des Wärmeübertragers 203 wird aus dem durch das Regelventil 208 im Zulauf zum Wärmeübertrager strömenden Flüssigkeitsstrom sowie aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeübertrager 203 im Primär- kreislauf ermittelt. Als Temperatur vor dem Wärmeübertrager wird der Istwert der Reaktortem- peratur 205 verwendet. Die Temperatur nach dem Wärmeübertrager wird über einen Tempera- tursensor 212 im Auslass des Wärmeübertragers ermittelt. In the example shown, the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 202 by the heat exchanger 203 is calculated. The extracted or added heat flow of the heat exchanger 203 is calculated from the flow of liquid flowing through the control valve 208 in the inlet to the heat exchanger and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 203 in the primary circuit determined. The actual value of the reactor temperature 205 is used as the temperature before the heat exchanger. The temperature after the heat exchanger is determined via a temperature sensor 212 in the outlet of the heat exchanger.
Im dargestellten Beispiel ist zur Regelung der Temperatur im Reaktor 201 eine Kaskadenrege- lung vorgesehen, die den Temperaturregler 205 als Führungsregler und einen Wärmestrom- Regler 206 als Folgeregler umfasst. Dem Führungsregler 205 wird ein Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Reaktor 201 vorgegeben. Der Istwert der Temperatur im Reaktor 201 wird über einen Temperatursensor erfasst. In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Reaktor 201 berechnet der Führungsregler 205 als Ausgangssignal einen Sollwert für den der Flüssigkeit im Primärkreislauf 202 durch den Wärmeübertrager 203 entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom. Dieser Sollwert wird an den Wärmestromfolgeregler 206 übergeben, der aus der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Wärmestroms als Ausgangssignal ein Stellsignal für das Regelventil 208 im Zulauf zum Wärmeübertrager 203 generiert. In the example shown, a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 201, which includes the temperature controller 205 as the master controller and a heat flow controller 206 as the slave controller. A target value for the temperature of the liquid in the reactor 201 is specified for the master controller 205 . The actual value of the temperature in the reactor 201 is recorded via a temperature sensor. Depending on the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the reactor 201, the master controller 205 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 202 by the heat exchanger 203 as an output signal. This setpoint is transferred to the heat flow sequence controller 206, which generates an actuating signal for the control valve 208 in the inlet to the heat exchanger 203 from the difference between the actual value and the setpoint of the heat flow as an output signal.
Der Regelungsalgorithmus umfasst eine Split-Range-Regelung, bei der zwei Stellsignale be- rechnet und zwei Mengenströme im Sekundärkreislauf 204 manipuliert werden, wobei ein erster Mengenstrom in Abhängigkeit von einem ersten Stellsignal und ein zweiter Mengenstrom in Ab- hängigkeit von einem zweiten Stellsignal manipuliert werden. The control algorithm includes a split-range control in which two control signals are calculated and two volume flows in the secondary circuit 204 are manipulated, with a first volume flow being manipulated as a function of a first control signal and a second volume flow as a function of a second control signal .
Hierbei teilt sich der Mengenstrom im Sekundärkreislauf 204 in zwei parallel zueinander ange- ordneten Mengenströme auf, bevor diese sich wieder vereinen und den Wärmeübertrager 203 durchströmen. Durch die parallele Aufteilung des Mengenstroms kann in jedem der beiden re- sultierenden Ströme jeweils ein Stellorgan zur Manipulation des jeweiligen Mengenstroms an- geordnet werden. In diesem Beispiel sind die beiden Stellorgane mit unterschiedlichen Nenn- weiten versehen, wodurch signifikant unterschiedliche Durchflussmengen eingestellt werden können. So lässt sich eine präzise Steuerung des Mengenstroms des Wärmeträgermediums gewährleisten, indem das größere der beiden Stellorgane für große Mengenströme ausgelegt ist, und das kleinere der beiden Stellorgane für kleine Mengenströme ausgelegt ist. In this case, the mass flow in the secondary circuit 204 is divided into two mass flows which are arranged parallel to one another, before these flow together again and flow through the heat exchanger 203 . As a result of the parallel division of the mass flow, an actuator for manipulating the respective mass flow can be arranged in each of the two resulting flows. In this example, the two actuators have different nominal widths, which means that significantly different flow rates can be set. In this way, precise control of the flow rate of the heat transfer medium can be ensured by designing the larger of the two actuators for large flow rates and designing the smaller of the two actuators for small flow rates.
Bei der Verwendung von beispielsweise Flusswasser als Wärmeträgermedium im Sekundär- kreislauf 204 wird nach dem Durchgang durch den Wärmeübertrager 204 das Flusswasser aus dem System herausgelassen. When using, for example, river water as a heat transfer medium in the secondary circuit 204, the river water is let out of the system after it has passed through the heat exchanger 204.
Die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich beispielsweise für Verfahren der Enalisierung von Aldehyden. In derartigen Verfahren wer- den typischerweise Freistrahlreaktoren 201 zur Umsetzung von Aldehyden mit Wasser in Anwe- senheit eines Katalysators eingesetzt, um Enale als Zielprodukte zu erhalten. Bei der Herstel- lung von Enalen wird Wärme frei, welche über den externen Wärmeübertrager 203 abgeführt wird. The second embodiment of the process according to the invention shown in FIG. 3 is suitable, for example, for processes for the enalization of aldehydes. In such procedures the typically free-jet reactors 201 used for the reaction of aldehydes with water in the presence of a catalyst in order to obtain enals as target products. Heat is released during the production of enals, which is dissipated via the external heat exchanger 203 .
Als flüssiger Einsatzstoff 221 wird dem Reaktor 201 mengengeregelt ein Aldehyd zugeführt. In einem vorgegebenen Verhältnis zum Aldehydstrom wird dem Reaktor 201 ein wässriger Flüs- sigkeitsstrom 222 zugeführt, der einen Katalysator in wässriger Phase enthält. Das im Reaktor 201 entstehende flüssige Produkt Enal wird zusammen mit der mit Katalysator versetzten Flüs- sigkeit 222 im oberen Bereich des Reaktors 201 abgezogen und einem Phasenscheider 240 zugeführt. Zur Vermeidung einer möglichen Ausbildung einer explosionsfähigen Atmosphäre wird dem Phasenscheider 240 Stickstoff als Inertgas 220 zugeführt. Im Phasenscheider 240 wird die den Katalysator enthaltende flüssige Phase über die Leitung 231 entnommen. Das Ziel- produkt Enal wird in der organischen Phase über die Leitung 223 entnommen. An aldehyde is fed to the reactor 201 in a quantity-controlled manner as the liquid feedstock 221 . An aqueous liquid stream 222 containing a catalyst in the aqueous phase is fed to the reactor 201 in a predetermined ratio to the aldehyde stream. The liquid product Enal formed in the reactor 201 is drawn off together with the liquid 222 to which catalyst has been added in the upper region of the reactor 201 and fed to a phase separator 240 . To avoid a possible formation of an explosive atmosphere, the phase separator 240 is supplied with nitrogen as an inert gas 220 . In the phase separator 240, the liquid phase containing the catalyst is removed via line 231. The target product enal is removed via line 223 in the organic phase.
Ein Teilstrom der sich im Reaktor 201 befindlichen flüssigen Phase wird als Umwälzstrom über eine Pumpe 210 zwangsgefördert in einen Primärkreislauf 202 ausgetragen. Dabei wird dieser Flüssigkeitsstrom so gewählt, dass sich im Reaktor 201 eine intensive Durchmischung der or- ganischen und der wässrigen Phase einstellt. Dies resultiert aus einem Leistungseintrag, der durch die Umwälzung in die Flüssigkeit eingebracht wird. Der Leistungseintrag durch den Flüs- sigkeitsstrom in den Reaktor 201 wird somit einstellbar. A partial stream of the liquid phase in the reactor 201 is discharged as a circulating stream by a pump 210 into a primary circuit 202 . This liquid flow is selected in such a way that the organic phase and the aqueous phase are intensively mixed in the reactor 201 . This results from a power input that is introduced into the liquid by the circulation. The power input through the liquid flow into the reactor 201 is thus adjustable.
Bei dieser Ausführungsform wird vorteilhafterweise der Wärmestrom durch den Mengenstrom des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf 204 geregelt. In this embodiment, the flow of heat is advantageously regulated by the flow rate of the heat transfer medium in the secondary circuit 204 .
Zur Regelung der diversen Regelkreise werden vorzugsweise PID-Regler mit auf den ge- wünschten stationären Zustand optimierten Reglerparametern eingesetzt. Die Berechnung des Istwertes des im Wärmeübertrager 203 entnommenen Wärmestroms erfolgt mit dem Messwert der Temperatur Tin im Reaktor 201 , dem Messwert der Temperatur Tout ,1 212 nach dem Wär- meübertrager 203, dem Messwert des Massenstroms durch das Regelventil 208 im Zulauf zum Wärmeübertrager 203 und dem Parameter der Wärmekapazität cl für das Medium des Flüssigkeitsstroms nach der Formel PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are preferably used to control the various control circuits. The calculation of the actual value of the heat flow extracted in the heat exchanger 203 is carried out with the measured value of the temperature T in in the reactor 201, the measured value of the temperature T out ,1 212 after the heat exchanger 203, the measured value of the mass flow through the control valve 208 in the inlet to the heat exchanger 203 and the parameter of the heat capacity cl for the medium of the liquid flow according to the formula
Fig. 4 zeigt schematisch ein Prozessfließbild eines verfahrenstechnischen Prozesses gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Temperatur in einem Reaktor 301 als verfahrenstechnischem Apparat über einen externen Wärmeübertrager 303 eingestellt wird. Dem Reaktor 301 wird über eine Leitung ein flüssiger Einsatzstoff 321 zu- geführt, der im Reaktor zu einem oder mehreren Produkten umgesetzt wird. Hierbei erfolgt die Zuführung mengengeregelt durch ein Regelventil 327. Fig. 4 shows schematically a process flow diagram of a technical process according to a third embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 301 as a technical apparatus via an external heat exchanger 303 is set. A liquid starting material 321 is fed to the reactor 301 via a line and is converted into one or more products in the reactor. The supply is volume-controlled by a control valve 327.
Ein Gasstrom 320 wird dem Reaktor 301 hinzugefügt, der über ein Regelventil 326 mengenge- regelt wird. Hierbei erhält das Regelventil 326 sein Stellsignal von einem Druckregler 325, der den Druck im Reaktor regelt. Über einen gasförmigen Austrag 311 werden gasförmige Neben- produkte aus dem Reaktor durch ein Regelventil 329 mengengeregelt entfernt. A gas flow 320 is added to the reactor 301 which is volume-controlled via a control valve 326 . Here, the control valve 326 receives its control signal from a pressure regulator 325, which regulates the pressure in the reactor. Gaseous by-products are removed from the reactor via a gaseous discharge 311 in a volume-controlled manner by a control valve 329 .
Das im Reaktor 301 entstehende flüssige Produkt wird durch eine Umwälzpumpe 310 aus dem Reaktor 301 in einen Primärkreislauf 302 gefördert, der den Reaktor 301 mit einem externen Wärmeübertrager 303 verbindet. The liquid product formed in the reactor 301 is conveyed by a circulating pump 310 from the reactor 301 into a primary circuit 302 which connects the reactor 301 to an external heat exchanger 303 .
Der Flüssigkeitsstrom durch den Wärmeübertrager 303 ist indirekt auch durch ein Regelventil 316, welches sich in einem Bypass 307 im Primärkreislauf befindet, einstellbar. Hierbei ist der Bypass im Primärkreislauf parallel zu dem Wärmeübertrager 303 geschaltet. The liquid flow through the heat exchanger 303 can also be adjusted indirectly by a control valve 316, which is located in a bypass 307 in the primary circuit. In this case, the bypass in the primary circuit is connected in parallel to the heat exchanger 303 .
Der in dem Wärmeübertrager 303 erhitzte oder abgekühlte Strom sowie der Strom durch den Bypass 307 im Primärkreislauf werden zum Reaktor 301 zurückgeführt. The stream heated or cooled in the heat exchanger 303 and the stream through the bypass 307 in the primary circuit are returned to the reactor 301 .
Aus dem Primärkreislauf 302 wird ein Teil des Flüssigkeitsstroms als flüssiger Reaktoraustrag 323 entnommen. Die Entnahme erfolgt über einen Durchflussregler 343 und ein Regelventil 330 in der Entnahmeleitung und über einen Standregler 324 derart, dass ein vorgegebener Flüssig- keitsstand im Reaktor eingehalten wird. Part of the liquid stream is removed from the primary circuit 302 as liquid reactor discharge 323 . The removal takes place via a flow controller 343 and a control valve 330 in the removal line and via a level controller 324 in such a way that a predetermined liquid level in the reactor is maintained.
Im dargestellten Beispiel wird der der Flüssigkeit im Primärkreislauf 302 durch den Wärmeüber- trager 303 entnommene oder hinzugefügte Wärmestrom berechnet aus dem durch den Wärme- übertrager 303 strömenden Flüssigkeitsstrom sowie aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeübertrager 303 im Primärkreislauf. Als Temperatur vor dem Wärmeübertrager wird der Istwert der Reaktortemperatur 305 verwendet. Die Temperatur nach dem Wärmeübertrager wird über einen Temperatursensor 312 im Auslass des Wärmeübertragers ermittelt. In the example shown, the heat flow taken from or added to the liquid in the primary circuit 302 by the heat exchanger 303 is calculated from the liquid flow flowing through the heat exchanger 303 and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 303 in the primary circuit. The actual value of the reactor temperature 305 is used as the temperature before the heat exchanger. The temperature after the heat exchanger is determined by a temperature sensor 312 in the outlet of the heat exchanger.
In diesem erfindungsgemäßen Beispiel ist zur Regelung der Temperatur im Reaktor 301 eine Kaskadenregelung vorgesehen, die den Temperaturregler 305 als Führungsregler und einen Wärmestromfolgeregler 306 umfasst. Dem Temperaturregler 305 wird ein Sollwert der Tempe- ratur der Flüssigkeit im Reaktor 301 vorgegeben. Der Istwert der Temperatur im Reaktor 301 wird über einen Temperatursensor 305 erfasst. In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Reaktor 301 berechnet der Wär- mestromfolgeregler 306 als Ausgangssignal einen Sollwert für den der Flüssigkeit im Primär- kreislauf 302 durch den Wärmeübertrager 303 entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom. Dieser Sollwert wird an den Wärmestromfolgeregler 306 übergeben, der aus der Differenz zwi- schen dem Istwert und dem Sollwert des Wärmestroms als Ausgangssignal ein Stellsignal für das Regelventil 316 im Bypass 307 generiert. In this example according to the invention, a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 301, which includes the temperature controller 305 as master controller and a heat flow slave controller 306. A target value for the temperature of the liquid in the reactor 301 is specified for the temperature controller 305 . The actual value of the temperature in the reactor 301 is recorded via a temperature sensor 305 . Depending on the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the reactor 301, the heat flow follow-up controller 306 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 302 by the heat exchanger 303 as an output signal. This desired value is transferred to the heat flow slave controller 306, which generates an actuating signal for the control valve 316 in the bypass 307 from the difference between the actual value and the desired value of the heat flow as an output signal.
Die Menge des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf 304 des Wärmeübertragers 303 ist durch ein Regelventil 309 mengengeregelt und wird meist auf einen festen Wert eingestellt. Das Wärmeträgermedium im Sekundärkreislauf 304 wird entsprechend den Anforderungen an die erforderliche Kühl- oder Heizleistung gewählt. Im Falle einer Kühlung wird vorzugsweise Fluss- wasser oder gekühltes Wasser als Wärmeträgermedium verwendet. The amount of heat transfer medium in the secondary circuit 304 of the heat exchanger 303 is volume-controlled by a control valve 309 and is usually set to a fixed value. The heat transfer medium in the secondary circuit 304 is selected according to the requirements for the required cooling or heating capacity. In the case of cooling, preferably river water or chilled water is used as the heat transfer medium.
Die in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich beispielsweise für Verfahren zur Hydrierung von Alkenen und Aldehyden, Selektivhydrierungen wie die Selektivhydrierung von Butadien und Veretherungen. In derartigen Verfahren werden typischerweise Festbettreaktoren 301 zur Umsetzung der Ausgangsstoffe zu den Zielprodukten eingesetzt. The third embodiment of the process according to the invention shown in FIG. 4 is suitable, for example, for processes for the hydrogenation of alkenes and aldehydes, selective hydrogenations such as the selective hydrogenation of butadiene and etherifications. In such processes, fixed-bed reactors 301 are typically used to convert the starting materials into the target products.
Im Beispiel einer Hydrierung wird dem Reaktor 301 der zu hydrierende flüssige Einsatzstoff über die Leitung 321 mengengeregelt zugeführt. Wasserstoff wird dem Reaktor 301 gasförmig über die Leitung 320 druckgeregelt zugeführt. Über einen gasförmigen Austrag 311 werden gasförmige Nebenprodukte aus dem Reaktor durch ein Regelventil 329 mengengeregelt ent- fernt. Das im Reaktor 301 entstehende flüssige Produkt, beispielsweise ein Butanol, wird aus dem Primärkreislauf über die Leitung 323 mengengeregelt entnommen. In the example of a hydrogenation, the liquid starting material to be hydrogenated is fed to the reactor 301 via line 321 in a quantity-regulated manner. Hydrogen is fed to the reactor 301 in gaseous form via line 320 under pressure control. Gaseous by-products are removed from the reactor in a quantity-regulated manner by a control valve 329 via a gaseous discharge 311 . The liquid product formed in the reactor 301, for example a butanol, is removed from the primary circuit via the line 323 in a quantity-controlled manner.
Zur Regelung der diversen Regelkreise werden vorzugsweise PID-Regler mit auf den ge- wünschten stationären Zustand optimierten Reglerparametern eingesetzt. Die Berechnung des Istwertes des im Wärmeübertrager 303 entnommenen Wärmestroms erfolgt mit dem Messwert der Temperatur Tin im Reaktor 301 , dem Messwert der Temperatur Tout ,1312 nach dem Wär- meübertrager 303, dem Messwert des Massenstroms rrq im Zulauf zum Wärmeübertrager 303 und dem Parameter der Wärmekapazität cl für das Medium des Flüssigkeitsstroms nach der Formel PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are preferably used to control the various control circuits. The actual value of the heat flow extracted in the heat exchanger 303 is calculated using the measured value of the temperature T in in the reactor 301, the measured value of the temperature T out ,1 312 after the heat exchanger 303, the measured value of the mass flow rrq in the inlet to the heat exchanger 303 and the Parameters of heat capacity cl for the medium of liquid flow according to the formula
Fig. 5 zeigt schematisch ein Prozessfließbild eines verfahrenstechnischen Prozesses gemäß einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Temperatur in einem Reaktor 401 über einen externen Wärmeübertrager 403 eingestellt wird. Dem Reaktor 401 wird über eine Leitung ein erster flüssiger Einsatzstoff 421 zugeführt, der im Reaktor zu ei- nem oder mehreren Produkten umgesetzt wird. Hierbei erfolgt die Zuführung mengengeregelt durch ein Regelventil 427. Ein zweiter flüssiger Einsatzstoff 420 wird dem Reaktor 401 hinzuge- fügt, der über ein Regelventil 426 auf Basis einer gemessenen Stoffkonzentration (Q1) im Flüs- sigkeitsstrom des Primärkreislaufes 402 geregelt wird. Die Stoffkonzentration kann auch durch eine Ersatzgröße, beispielsweise Leitfähigkeit, Dichte, Viskosität oder Schallgeschwindigkeit, ermittelt werden, insofern die Ersatzgröße einen Rückschluss auf die Stoffkonzentration ermög- licht. 5 schematically shows a process flow diagram of an industrial process according to a fourth embodiment of the method according to the invention, in which the temperature in a reactor 401 is adjusted via an external heat exchanger 403. The reactor 401, a first liquid feedstock 421 is fed in via a line, which is converted into one or more products in the reactor. A second liquid feedstock 420 is added to the reactor 401, which is regulated via a control valve 426 on the basis of a measured substance concentration (Q1) in the liquid flow of the primary circuit 402. The substance concentration can also be determined using a substitute variable, for example conductivity, density, viscosity or the speed of sound, insofar as the substitute variable allows conclusions to be drawn about the substance concentration.
Das im Reaktor 401 entstehende flüssige Produkt wird durch eine Umwälzpumpe 410 aus dem Reaktor 401 in einen Primärkreislauf 402 gefördert, der den Reaktor 401 mit einem externen Wärmeübertrager 403 verbindet. Der Mengenstrom durch den Wärmeübertrager 403 ist indirekt durch ein Regelventil 416 in einem Bypass 407 und direkt durch ein Regelventil 408 vor dem Wärmeübertrager 403 einstellbar. The liquid product formed in the reactor 401 is conveyed by a circulating pump 410 from the reactor 401 into a primary circuit 402 which connects the reactor 401 to an external heat exchanger 403 . The mass flow through the heat exchanger 403 can be adjusted indirectly by a control valve 416 in a bypass 407 and directly by a control valve 408 upstream of the heat exchanger 403 .
Der in dem Wärmeübertrager 403 erhitzte oder abgekühlte Strom sowie der Strom durch den Bypass 407 im Primärkreislauf werden zum Reaktor 401 zurückgeführt. The stream heated or cooled in the heat exchanger 403 and the stream through the bypass 407 in the primary circuit are returned to the reactor 401 .
Aus dem Primärkreislauf 402 wird ein Teil des Flüssigkeitsstroms als flüssiger Reaktoraustrag 423 entnommen. Die Entnahme erfolgt über einen Durchflussregler und ein Regelventil 430 in der Entnahmeleitung und über einen Standregler 424 derart, dass ein vorgegebener Flüssig- keitsstand im Reaktor eingehalten wird. Part of the liquid flow is removed from the primary circuit 402 as liquid reactor discharge 423 . The removal takes place via a flow controller and a control valve 430 in the removal line and via a level controller 424 in such a way that a predetermined liquid level in the reactor is maintained.
In diesem Beispiel wird der der Flüssigkeit im Primärkreislauf 402 durch den Wärmeübertrager 403 entnommene oder hinzugefügte Wärmestrom berechnet aus dem durch den Wärmeüber- trager 403 strömenden Flüssigkeitsstrom sowie aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeübertrager 403 im Primärkreislauf. Als Temperatur vor dem Wärmeübertrager wird der Istwert der Reaktortemperatur 405 verwendet. Die Temperatur nach dem Wärmeübertrager wird über einen Temperatursensor 412 im Auslass des Wärmeübertragers ermittelt. In this example, the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 402 by the heat exchanger 403 is calculated from the liquid flow flowing through the heat exchanger 403 and from the temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger 403 in the primary circuit. The actual value of the reactor temperature 405 is used as the temperature before the heat exchanger. The temperature after the heat exchanger is determined by a temperature sensor 412 in the outlet of the heat exchanger.
In diesem erfindungsgemäßen Beispiel ist zur Regelung der Temperatur im Reaktor 401 eine Kaskadenregelung vorgesehen, die den Temperaturregler 405 als Führungsregler und einen Wärmestrom-Regler 406 als Folgeregler umfasst. Dem Führungsregler 405 wird ein Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Reaktor 401 vorgegeben. Der Istwert der Temperatur im Re- aktor 401 wird über einen Temperatursensor 405 erfasst. In Abhängigkeit von der Temperatur- differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Reaktor 401 berechnet der Führungsregler 405 als Ausgangssignal einen Sollwert für den der Flüssigkeit im Primärkreis- lauf 402 durch den Wärmeübertrager 403 entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom. Die- ser Sollwert wird an den Wärmestromfolgeregler 406 übergeben, der aus der Differenz zwi- schen dem Istwert und dem Sollwert des Wärmestroms Stellsignale berechnet. Der Regelungs- algorithmus des Folgereglers 406 ist als Split-Range-Regelung ausgeführt, bei der zwei Stell- signale berechnet werden. In Abhängigkeit von einem ersten Stellsignal wird der Flüssigkeits- strom im Bypass 407 über das Regelventil 416 manipuliert. In Abhängigkeit von einem zweiten Stellsignal wird der Flüssigkeitsstrom im Primärkreislauf 402 durch das Regelventil 408 im Zu- lauf des Wärmeübertragers 403 manipuliert. Je nach einzustellenden Flüssigkeitsströmen kön- nen die beiden Regelventile 408, 416 unabhängig voneinander zwischen ihren Geschlossen- stellungen und ihren Offenstellungen eingestellt werden. In this example according to the invention, a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 401, which includes the temperature controller 405 as master controller and a heat flow controller 406 as slave controller. A target value for the temperature of the liquid in the reactor 401 is specified for the master controller 405 . The actual value of the temperature in the reactor 401 is recorded via a temperature sensor 405 . Depending on the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the reactor 401, the Master controller 405 as an output signal a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 402 by the heat exchanger 403 . This desired value is transferred to the heat flow slave controller 406, which calculates control signals from the difference between the actual value and the desired value of the heat flow. The control algorithm of the slave controller 406 is designed as a split-range control, in which two control signals are calculated. The liquid flow in the bypass 407 is manipulated via the control valve 416 as a function of a first control signal. The liquid flow in the primary circuit 402 is manipulated by the control valve 408 in the inlet of the heat exchanger 403 as a function of a second control signal. Depending on the liquid flows to be set, the two control valves 408, 416 can be set between their closed positions and their open positions independently of one another.
In dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel berücksichtigt der Regelungsalgorithmus bei der Berech- nung des Stellsignals auch Störgrößen. Eine Störgröße, die in dem beispielhaften Prozess be- kannt ist, ist der Einfluss der zugeführten Menge an Einsatzstoff auf die Wärmeentwicklung im Reaktor. In Abhängigkeit davon, ob die Reaktion exotherm oder endotherm verläuft, bewirkt die Zufuhr des zweiten Einsatzstoffes 420 zum ersten Einsatzstoff 421 die Zunahme oder Abnahme der Temperatur im Reaktor 401. Die aufgrund der zugeführten Menge an zweitem Einsatzstoff 420 positive oder negative Wärmemenge wird berechnet und dem Folgeregler 406 als Stör- größe aufgeschaltet. Die Berechnung der Wärmemenge kann innerhalb des Folgereglers erfol- gen oder, wie in Fig. 5 dargestellt, in einem separaten Modellbaustein 417. Durch die Berück- sichtigung der Störgröße ist der Regelungsalgorithmus in der Lage, auf die zu erwartende Ver- änderung der Temperatur im Reaktor 401 vorausschauend zu reagieren, noch bevor die Verän- derung über den Temperatursensor 405 erkennbar ist. Dadurch können Laständerungen, Schwankungen oder Sollwertänderungen im Prozess schneller und besser geregelt werden, was zu einer verbesserten Regelgüte führt. In the example shown in FIG. 5, the control algorithm also takes disturbance variables into account when calculating the control signal. A disturbance that is known in the example process is the influence of the amount of input material supplied on the heat development in the reactor. Depending on whether the reaction is exothermic or endothermic, the addition of the second feedstock 420 to the first feedstock 421 causes the temperature in the reactor 401 to increase or decrease Follow-up controller 406 applied as disturbance variable. The amount of heat can be calculated within the slave controller or, as shown in FIG Reactor 401 to react with foresight even before the change can be detected via the temperature sensor 405. As a result, load changes, fluctuations or setpoint changes in the process can be controlled more quickly and better, which leads to improved control quality.
Der Mengenstrom des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf 404 des Wärmeübertragers 403 wird durch ein Regelventil 409 und einen Druckregler 435 so eingestellt, dass ein vorgege- bener Druck im Zulauf des Wärmeträgermediums zum Wärmeübertrager gehalten wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Heizdampf als Wärmeträgermedium verwendet wird. Das Wärmeträgermedium im Sekundärkreislauf 404 wird entsprechend den Anforderungen an die erforderliche Kühl- oder Heizleistung gewählt. Im Falle einer Heizung wird bevorzugt Heizdampf als Wärmeträgermedium im Sekundärkreislauf 404 verwendet. Die in Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich beispielsweise für Verfahren, bei denen der verfahrenstechnische Apparat 401 ein Rührbe- hälter ist, in dem verschiedene Substanzen miteinander vermischt werden oder eine Substanz in einer anderen Substanz gelöst werden soll. The flow rate of the heat transfer medium in the secondary circuit 404 of the heat exchanger 403 is set by a control valve 409 and a pressure regulator 435 in such a way that a specified pressure is maintained in the inlet of the heat transfer medium to the heat exchanger. This is particularly advantageous when heating steam is used as the heat transfer medium. The heat transfer medium in the secondary circuit 404 is selected according to the requirements for the required cooling or heating capacity. In the case of heating, heating steam is preferably used as the heat transfer medium in the secondary circuit 404 . The fourth embodiment of the method according to the invention shown in FIG. 5 is suitable, for example, for methods in which the process engineering apparatus 401 is a stirred tank in which different substances are mixed with one another or one substance is to be dissolved in another substance.
Im Beispiel der Herstellung einer wässrigen Lösung von Ammoniumnitrat wird dem Rührbehäl- ter 401 über die Leitung 421 Wasser mengengeregelt zugeführt. Das zu lösende Ammonium- nitrat wird dem Rührbehälter über die Leitung 420 zugeführt. Die Zuführung erfolgt mengenge- regelt, wobei der Durchflussregler (FC) als Folgeregler seinen Sollwert von einem Führungsreg- ler (QC) erhält, der als Qualitätsregler eine vorgegebene Konzentration einer Komponente oder eine vorgegebene Ersatzgröße, die einen Rückschluss auf die Konzentration einer Komponente zulässt, im in den Primärkreislauf 402 abgezogenen Flüssigkeitsstrom regelt. In the example of the production of an aqueous solution of ammonium nitrate, water is fed to the stirred tank 401 via the line 421 in a quantity-regulated manner. The ammonium nitrate to be dissolved is fed to the stirred tank via line 420 . The supply is volume-controlled, with the flow controller (FC) as a slave controller receiving its setpoint from a master controller (QC) which, as a quality controller, has a specified concentration of a component or a specified substitute variable that allows conclusions to be drawn about the concentration of a component. in the liquid flow withdrawn into the primary circuit 402 regulates.
Der Qualitätsregler sorgt für eine konstante Zusammensetzung der hergestellten Lösung. Bei- spielsweise dient die Leitfähigkeit der abgeführten Lösung als leicht zugängliches Qualitätsmaß. Der Stand im Rührbehälter 401 wird über einen Füllstand-Regler 424, der den Abzug der herge- stellten Lösung 423 durch ein Regelventil 430 manipuliert, geregelt. Der Prozess ist endotherm, sodass die im Rührbehälter 401 entzogene Wärme durch den Wärmeübertrager 403 wieder zu- geführt werden muss. Dazu wird Heizdampf verwendet, dessen Druck in der Zuführleitung 404 über einen Druckregler 435, welcher das Regelventil 409 ansteuert, geregelt wird. The quality controller ensures a constant composition of the solution produced. For example, the conductivity of the removed solution serves as an easily accessible quality measure. The level in the stirred tank 401 is controlled by a level controller 424 which manipulates the withdrawal of the solution 423 produced by a control valve 430 . The process is endothermic, so that the heat extracted in the stirred tank 401 has to be supplied again by the heat exchanger 403. For this purpose, heating steam is used, the pressure of which in the supply line 404 is controlled by a pressure regulator 435 which controls the control valve 409 .
Zur Regelung der diversen Regelkreise werden vorzugsweise PID-Regler mit auf den ge- wünschten stationären Zustand optimierten Reglerparametern eingesetzt. Die Berechnung des Istwertes des im Wärmeübertrager 403 entnommenen Wärmestroms erfolgt mit dem Messwert der Temperatur Tin im Reaktor 401 , dem Messwert der Temperatur Tout ,1412 nach dem Wär- meübertrager 403, dem Messwert des Massenstroms rr^ im Zulauf zum Wärmeübertrager 303 und dem Parameter der Wärmekapazität ct für das Medium des Flüssigkeitsstroms nach der Formel PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are preferably used to control the various control circuits. The calculation of the actual value of the heat flow extracted in the heat exchanger 403 is carried out with the measured value of the temperature T in in the reactor 401, the measured value of the temperature T out ,1 412 after the heat exchanger 403, the measured value of the mass flow rr^ in the inlet to the heat exchanger 303 and the parameter of the heat capacity c t for the medium of the liquid flow according to the formula
Als Störgrößenaufschaltung wird der zu erwartende zuzuführende Wärmemengenstrom auf Ba- sis des Ammoniumnitrats 420 durch eine Wärmemengenberechnung 417 erfasst und dem Wär- memengenregler 406 als Störgröße aufgeschaltet. The expected heat quantity flow to be supplied based on the ammonium nitrate 420 is recorded by a heat quantity calculation 417 and forwarded to the heat quantity controller 406 as a disturbance variable.
Beispiele: Examples:
Vergleichsbeispiel 1 Die Hydroformylierung von Propen wird großtechnisch in einem Blasensäulenreaktor mittels ei- nes Rhodium-Triphenylphosphin-Komplexes als Katalysator durchgeführt. Bei der Reaktion wird Wärme freigesetzt, welche aus dem Reaktor abzuführen ist. Das verfahrenstechnische Pro- zessfließbild eines solchen Prozesses gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 1 angegeben. Comparative example 1 The hydroformylation of propene is carried out industrially in a bubble column reactor using a rhodium-triphenylphosphine complex as catalyst. During the reaction, heat is released, which has to be removed from the reactor. The technical process flow diagram of such a process according to the prior art is given in FIG.
Dem Blasensäulenreaktor 101 werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid gemeinsam als soge- nanntes Synthesegas über die Leitung 120 als gasförmiger Einsatzstoff zugeführt. Über die Lei- tung 121 wird Propen flüssig als weiterer Einsatzstoff mengengeregelt zugeführt. Um bei den vorgegebenen Reaktionsbedingungen eine flüssige Phase zu erhalten, wird ein flüssiges Lö- sungsmittel, das einen Katalysator enthält, über die Leitung 122 mengengeregelt zugegeben. Die bei den Reaktionsbedingungen gasförmigen Einsatzstoffe lösen sich in dem Lösungsmittel und reagieren in Gegenwart des homogenen Katalysators zu den gewünschten Reaktionspro- dukten. Nicht umgesetzte gasförmige Einsatzstoffe, insbesondere Wasserstoff und Kohlenmo- noxid, werden über den gasförmigen Reaktoraustrag 111 entfernt. Das Zielprodukt der Reaktion wird über den flüssigen Reaktoraustrag 123 aus dem Primärkreislauf 102 entnommen. Da die Reaktion exotherm ist, wird der flüssige Reaktorinhalt gekühlt, um die Reaktortemperatur auf einem gewünschten konstanten Wert zu halten. Dies erfolgt durch die Kühlung des Flüssigkeits- stromes im Primärkreislauf 102 in den Wärmeübertragern 103 und 142, beispielsweise mit Flusswasser als Wärmeträgermedium in den Sekundärkreisläufen. Zur Regelung der diversen Regelkreise werden PID-Regler mit auf den gewünschten stationären Zustand optimierten Reg- lerparametern eingesetzt. Hydrogen and carbon monoxide are fed to the bubble column reactor 101 together as so-called synthesis gas via the line 120 as a gaseous feedstock. Propene is supplied in liquid form via line 121 as a further feedstock in a quantity-regulated manner. In order to obtain a liquid phase under the given reaction conditions, a liquid solvent containing a catalyst is added via line 122 in a volume-controlled manner. The starting materials, which are gaseous under the reaction conditions, dissolve in the solvent and react in the presence of the homogeneous catalyst to give the desired reaction products. Unreacted gaseous starting materials, in particular hydrogen and carbon monoxide, are removed via the gaseous reactor discharge 111 . The target product of the reaction is removed from the primary circuit 102 via the liquid reactor discharge 123 . Since the reaction is exothermic, the liquid reactor contents are cooled in order to keep the reactor temperature at a desired constant value. This is done by cooling the liquid flow in the primary circuit 102 in the heat exchangers 103 and 142, for example using river water as the heat transfer medium in the secondary circuits. PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are used to regulate the various control circuits.
Beispiel 1 example 1
Derselbe Prozess wie in Vergleichsbeispiel 1 wird mit einer erfindungsgemäßen Reglerkonfigu- ration wie in Fig. 2 angegeben betrieben. Auch in diesem Fall werden zur Regelung der diver- sen Regelkreise PID-Regler mit auf den gewünschten stationären Zustand optimierten Regler- parametern eingesetzt. Die optimalen Regler-Parameter wurden über geeignete Einstellregeln bestimmt, so wie sie beispielsweise in folgenden Fachliteraturquellen erläutert werden: The same process as in comparative example 1 is operated with a controller configuration according to the invention as indicated in FIG. In this case, too, PID controllers with controller parameters optimized for the desired stationary state are used to control the various control loops. The optimal controller parameters were determined using suitable setting rules, as explained, for example, in the following specialist literature sources:
Otto Föllinger, Regelungstechnik, 8. Auflage, 1994, Hüthig Verlag Heinz Unbehauen, Regelungstechnik 1, 13. Auflage, 2005, Vieweg Verlag S. Skogestad und lan Postlethwaite, Multivariable Feedback Control, 2005, Wiley Verlag The systematic design of PID Controllers using Nyquist stability (DOI: Otto Föllinger, control engineering, 8th edition, 1994, Hüthig Verlag Heinz Unbehauen, control engineering 1, 13th edition, 2005, Vieweg Verlag S. Skogestad and lan Postlethwaite, Multivariable Feedback Control, 2005, Wiley Verlag The systematic design of PID Controllers using Nyquist stability (DOI:
10.23919/ECC.2001.7075961 ) 10.23919/ECC.2001.7075961 )
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist zur Regelung der Temperatur im Reaktor 101 eine Kaskadenregelung vorgesehen, die einen Temperaturregler 105 als Führungsregler und einen Wärmestrom-Regler 106 als Folgeregler umfasst. Dem Führungsregler 105 wird ein Sollwert der Temperatur der Flüssigkeit im Reaktor 101 vorgegeben. Der Istwert der Temperatur im Re- aktor 101 wird über einen Temperatursensor erfasst. In Abhängigkeit von der Temperaturdiffe- renz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Reaktor berechnet der Füh- rungsregler 105 als Ausgangssignal einen Sollwert für den der Flüssigkeit im Primärkreislauf 102 durch die Wärmeübertrager 103 und 142 entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom. Dieser Sollwert wird an den Wärmestromfolgeregler 106 übergeben, der aus der Differenz zwi- schen dem Istwert und dem Sollwert des Wärmestroms als Ausgangssignal ein Stellsignal für das Regelventil 108 im Zulauf zum ersten Wärmeübertrager generiert. In the example shown in FIG. 2, a cascade control is provided for controlling the temperature in the reactor 101, which includes a temperature controller 105 as master controller and a heat flow controller 106 as slave controller. The master controller 105 is given a target value the temperature of the liquid in the reactor 101 is predetermined. The actual value of the temperature in the reactor 101 is recorded via a temperature sensor. Depending on the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the reactor, the master controller 105 calculates a setpoint value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit 102 by the heat exchangers 103 and 142 as an output signal. This desired value is transferred to the heat flow sequence controller 106, which generates an actuating signal for the control valve 108 in the inlet to the first heat exchanger from the difference between the actual value and the desired value of the heat flow as an output signal.
Die Berechnung des Istwertes des im ersten Wärmeübertrager 103 entnommenen Wär- mestroms erfolgt mit dem Messwert der Temperatur Tin im Reaktor 101, dem Messwert der Temperatur Tout ,1 nach dem ersten Wärmeübertrager 103, dem Messwert des Massenstroms rfi-L durch das Regelventil 108 im Zulauf zum ersten Wärmeübertrager 103 und dem Parameter der Wärmekapazität q für das Medium des Flüssigkeitsstroms nach der Formel - Tout ,1). Die Berechnung des Istwertes des im zweiten Wärmeübertrager 142 entnommenen Wärmestroms erfolgt mit dem Messwert der Temperatur Tin im Reaktor 101 , dem Messwert der Temperatur Tout ,2 nach dem zweiten Wärmeübertrager 142, dem Messwert des Massenstroms durch das Regelventil 140 im Zulauf zum zweiten Wärmeübertrager 142 und dem Parameter der Wärmekapazität q für das Medium des Flüssigkeitsstroms nach der Formel The actual value of the heat flow extracted in the first heat exchanger 103 is calculated using the measured value of the temperature T in in the reactor 101, the measured value of the temperature T out ,1 after the first heat exchanger 103, the measured value of the mass flow rfi- L through the control valve 108 in the feed to the first heat exchanger 103 and the parameter of the heat capacity q for the medium of the liquid flow according to the formula - T out ,1 ). The actual value of the heat flow extracted in the second heat exchanger 142 is calculated using the measured value of the temperature T in in the reactor 101, the measured value of the temperature T out ,2 after the second heat exchanger 142, the measured value of the mass flow through the control valve 140 in the inlet to the second heat exchanger 142 and the parameter of the heat capacity q for the medium of the liquid flow according to the formula
Der Prozess gemäß Stand der Technik und der erfindungsgemäße Prozess wurden in dem Si- mulationstool „Aspen Plus Dynamics“ der Firma AspenTech (20 Crosby Drive, Bedford, MA 01730, U.S.A., www.aspentech.com) simuliert. Dem Simulationsmodell lagen die folgenden An- nahmen und Parameter zugrunde: The process according to the prior art and the process according to the invention were simulated in the simulation tool "Aspen Plus Dynamics" from AspenTech (20 Crosby Drive, Bedford, MA 01730, USA, www.aspentech.com). The simulation model was based on the following assumptions and parameters:
Der Gesamtdruck im Reaktor 101 ist durch die Summe der Partialdrücke von Wasserstoff, Koh- lenstoffmonoxid, Lösungsmittel und Propen gegeben. Es werden keine anderen Komponenten in der Gasphase berücksichtigt Der Katalysator-Molanteil xCat bleibt konstant während der Si- mulation. Zudem wird keine Wärme zwischen dem Reaktor 101 oder den Leitungen und der Umgebung ausgetauscht, sodass adiabatische Bedingungen angenommen werden. Im Folgen- den werden die Randbedingungen der Simulation aufgelistet: The total pressure in the reactor 101 is given by the sum of the partial pressures of hydrogen, carbon monoxide, solvent and propene. No other components in the gas phase are taken into account. The catalyst mole fraction x Cat remains constant during the simulation. In addition, no heat is exchanged between the reactor 101 or the lines and the environment, so that adiabatic conditions are assumed. The boundary conditions of the simulation are listed below:
Der Wärmestromdurchgangs-Koeffizient der externen Wärmeübertrager beträgt kon- stant The heat flow coefficient of the external heat exchanger is constant
Die Eingangstemperatur des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf ist . Die Ausgangstemperatur des Wärmeträgermediums im Sekundärkreislauf des ersten Wärmeübertragers 103 bei normaler Last beträgt Tout ,C ,nom = 73 °C . The inlet temperature of the heat transfer medium in the secondary circuit is . The outlet temperature of the heat transfer medium in the secondary circuit of the first heat exchanger 103 at normal load is T out ,C,nom =73°C.
Der durch den ersten Wärmeübertrager 103 entnommene Wärmestrom bei Nennlast ist = 21600 kW. The heat flow drawn off by the first heat exchanger 103 at nominal load is = 21600kW.
Der durch den zweiten Wärmeübertrager 142 entnommene Wärmestrom bei Simulation des Störverhaltens ist = 2160 kW, wobei der totale stationäre Wär- mestrom durch beide Wärmeübertrager = 21600 kW be- trägt. D.h. die Wärmefreisetzung bleibt von der Störung unberührt. The heat flow removed by the second heat exchanger 142 when simulating the disturbance behavior is = 2160 kW, with the total stationary heat flow through both heat exchangers = 21600 kW carries. Ie the release of heat remains unaffected by the disturbance.
Der Flüssigkeitsstrom zum ersten Wärmeübertrager bei normaler Last beträgt The liquid flow to the first heat exchanger at normal load is
Der Flüssigkeitsstrom zum zweiten Wärmeübertrager bei Simulation des Störverhaltens beträgt The liquid flow to the second heat exchanger when simulating the disturbance behavior is
Die Wärmestromgleichung lautet: The heat flow equation is:
Die einzige Wärmesenke sind die beiden Wärmeübertrager. The only heat sinks are the two heat exchangers.
Die Temperatur des Flüssigkeitsstroms Tin PF ist gleich der Reaktortemperatur TR. The temperature of the liquid stream Ti n PF is equal to the reactor temperature T R.
- Beide Wärmeübertrager arbeiten im Gegenstromprinzip: - Both heat exchangers work according to the counterflow principle:
Die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ist gegeben durch: The mean logarithmic temperature difference is given by:
- Die Reaktortemperatur bei normaler Last beträgt l - The reactor temperature at normal load is l
- Die Reaktionsrate bei normaler Last beträgt . - The response rate under normal load is .
Der Gesamtdruck im Reaktor beträgt p = 10 bar. The total pressure in the reactor is p=10 bar.
Der Partialdruck von Kohlenstoffmonoxid bei normaler Last ist Pco.nom = 3 bar. Bei normaler Last ist das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid im Strom 120 so zu wählen, dass der Partialdruck von Wasserstoff PH2,nom gleich dem von Kohlenstoffmonoxid Pco,nom ist. The partial pressure of carbon monoxide at normal load is Pco.nom = 3 bar. At normal load, the ratio between hydrogen and carbon monoxide in stream 120 is to be chosen such that the partial pressure of hydrogen P H2, nom is equal to that of carbon monoxide Pco,nom.
Die Reaktionsrate wird berechnet durch The reaction rate is calculated by
Hierbei sind cco, cH2, cPropene und cCat Konzentrationen der individuellen Kompo- nenten in mol/l, EA is die Aktivierungsenergie und kR,0 ist der präexponentielle Faktor.Here c co , c H2 , c propene and c cat are the concentrations of the individual components in mol/l, E A is the activation energy and k R,0 is the pre-exponential factor.
Die Enthalpie der Reaktion ist berechnet durch das in dem Simulationstool vorgegebe- nen Enthalpiemodell (Aspen Properties) für die flüssige Phase und die Anwendung des Satz von Hess. The enthalpy of the reaction is calculated using the enthalpy model (Aspen Properties) specified in the simulation tool for the liquid phase and the application of Hess' theorem.
Die Parameter Kco , KH2 , EA und kR,0 der Reaktionskinetik wurden angepasst, um die nega- tive Korrelation der Reaktionsrate mit zunehmendem Kohlenstoffmonoxid-Partialdruck abzubil- den. Die verwendeten Parameter sind: The reaction kinetics parameters K co , K H2 , E A , and k R,0 were adjusted to reflect the negative correlation of the reaction rate with increasing carbon monoxide partial pressure. The parameters used are:
Da die Katalysatorkonzentration cCat unbekannt, aber konstant, ist, wurde diese mit dem prä- exponentiellen Faktor kR,0 zusammengeführt. Dies ist gleichbedeutend mit dem Zahlenwert von 1 für die Katalysatorkonzentration cCat. Die Reaktionsrate ist eine Funktion der Konzentra- tionen ohne Berücksichtigung der Partialdrücke. Since the catalyst concentration c Cat is unknown but constant, it was combined with the pre-exponential factor k R,0 . This is equivalent to the numerical value of 1 for the catalyst concentration c Cat . The reaction rate is a function of the concentrations without considering the partial pressures.
Die Korrelation zwischen den Partialdrücken und den Konzentrationen kann durch die bekann- ten Löslichkeiten der einzelnen Gase in der flüssigen Phase ermittelt werden. Die Löslichkeit der Gase hängt von dem Lösemittel ab, in welchem die Reaktion abläuft. Das Lösemittel ist im Allgemeinen eine Mischung aus Rhodium Katalysator, Ligand und n-Butyraldehyd, Isobutyral- dehyd, Dimeren, Trimeren und höheren Oligomeren von Butyraldehyd. Dies bedeutet, dass das Lösemittel zu großen Teilen aus schwersiedenden Komponenten besteht, die durch die Neben- reaktionen der Hydroformulierung entstehen. Zur Vereinfachung wurde angenommen, dass die Mischung (inkl. Katalysator und Ligand) durch die Simulation einer einzigen repräsentativen Komponente beschrieben werden kann. Die Komponente Texanol wurde als Lösemittel ausge- wählt, da ihre Parameter in Aspen Properties zur Verfügung stehen und diese mit der beschrie- benen realen Mischung gut übereinstimmen. The correlation between the partial pressures and the concentrations can be determined from the known solubilities of the individual gases in the liquid phase. The solubility of the gases depends on the solvent in which the reaction takes place. The solvent is generally a mixture of rhodium catalyst, ligand and n-butyric aldehyde, isobutyric aldehyde, dimers, trimers and higher oligomers of butyric aldehyde. This means that the solvent largely consists of high-boiling components that arise as a result of the side reactions of the hydroformulation. For simplicity, it was assumed that the mixture (including catalyst and ligand) can be described by simulating a single representative component. The Texanol component was selected as the solvent because its parameters are available in Aspen Properties and these correspond well to the described real mixture.
Es wurde die physikalische Zustandsgleichung “Predictive Soave Redlich Kwong” (PSRK) ver- wendet, um die Löslichkeit und die anderen Eigenschaften zu ermitteln und die dynamischen Simulationen durchzuführen. Die Löslichkeit ist eine Funktion von Druck, Temperatur und den Komponenten der flüssigen Phase, welche durch die Zustandsgleichung berechnet wird. The physical equation of state “Predictive Soave Redlich Kwong” (PSRK) was used to determine the solubility and other properties and the dynamic ones to perform simulations. The solubility is a function of pressure, temperature and the components of the liquid phase, which is calculated by the equation of state.
Um den Reaktor 101 zu dimensionieren, muss ein Umsatz für den einfachen Durchgang von Synthesegas 120 und Propen 121 vorgegeben werden. Der Umsatz im einfachen Durch- gang XSP,propene ist hier definiert als der Quotient aus dem Mengenstrom an Butanal der der Aufarbeitungssektion zugeführt wird, zu dem Mengenstrom an Pro- pen f der dem Reaktor 101 zugeführt wird. Diese Definition wurde gewählt, da im Abgas ein erheblicher Teil des nicht umgesetzten Propens enthalten ist und damit die Summe über mehrere Ströme zu bilden wäre, wenn das nicht umgesetzte Propen zu ermitteln wäre. Der Umsatz für den einfachen Durchgang des Synthesegases 120 wird so eingestellt, dass der Molanteil von Kohlenstoffmonoxid im gasförmigen Reaktionsaustrag yCO,Vent,nom in Richtung Aufarbeitung beträgt. In order to dimension the reactor 101, a conversion for the simple passage of synthesis gas 120 and propene 121 must be specified. The conversion in a single pass X SP,propene is defined here as the quotient of the mass flow of butanal which is fed to the work-up section and the mass flow of propene f which is fed to the reactor 101 . This definition was chosen because a considerable part of the unreacted propene is contained in the exhaust gas and the total would therefore have to be formed over several streams if the unreacted propene were to be determined. The conversion for the single passage of the synthesis gas 120 is set in such a way that the molar fraction of carbon monoxide in the gaseous reaction output is y CO,Vent,nom in the direction of work-up.
Die Synthesegaszusammensetzung im Zustrom ist so eingestellt, dass der Molanteil von Was- serstoff im gasförmigen Reaktionsaustrag bei normaler Last gleich dem Molanteil von Kohlen- stoffmonoxid im gasförmigen Reaktionsaustrag bei nominaler Last ist. Der Partialdruck von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid ist ca. 3 bar und die Hydroformulierungsreaktion ist im Be- reich von negativer Korrelation zwischen dem Partialdruck von Kohlenstoffmonoxid und der Re- aktionsrate. The synthesis gas composition in the inflow is set such that the molar fraction of hydrogen in the gaseous reaction effluent at normal load is equal to the molar fraction of carbon monoxide in the gaseous reaction effluent at nominal load. The partial pressure of hydrogen and carbon monoxide is about 3 bar and the hydroformulation reaction is in the range of negative correlation between the partial pressure of carbon monoxide and the reaction rate.
Ein Vergleich der Simulationsergebnisse zwischen Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1 für das Führungsverhalten des Reglers bei einer Sollwertänderung der Reaktortemperatur von 95°C auf 92°C und zurück auf 95°C wird in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt. Hierbei wird für beide Bei- spiele kein zweiter Wärmeübertrager 142 hinzugeschaltet. A comparison of the simulation results between Comparative Example 1 and Example 1 for the control behavior of the controller when the reactor temperature setpoint changes from 95° C. to 92° C. and back to 95° C. is shown in FIGS. 6 and 7 . In this case, for both examples, no second heat exchanger 142 is connected.
In dem Vergleichsbeispiel 1 wird eine Temperatur-Temperatur-Kaskade verwendet, um die Temperatur im Reaktor zu regeln. Hingegen wird im erfindungsgemäßen Beispiel 1 eine Tem- peratur-Wärmestrom-Kaskade verwendet, um die Temperatur im Reaktor zu regeln. Zum Ein- pendeln des Verfahrens in den Simulationen werden in beiden Fällen für die ersten 60 Minuten die Verfahrensrandbedingungen, wie beispielsweise die Reaktortemperatur oder die Edukt- ströme, konstant gehalten. Hierbei wird „Aspen Plus Dynamics“ verwendet. Nach einer Stunde simulierter Zeit wird der Sollwert der Reaktortemperatur instantan von 95°C auf 92°C abge- senkt. Nach weiteren vier Stunden simulierter Zeit wird der Sollwert der Reaktortemperatur wie- der auf seinen ursprünglichen Wert von 95°C zurückgesetzt. In Fig. 6 und Fig. 7 zeigt jeweils die gestrichelte Linie den Sollwert der Reaktortemperatur, die durchgezogene Linie den Istwert der Reaktortemperatur und die strich-gepunktete Linie das Stellsignal des Führungsreglers 105. Im Fall des Vergleichsbeispiels ist dies eine Soll-Temperatur für den Folgeregler, im Fall des er- findungsgemäßen Beispiels ein Soll-Wärmestrom für den Folgeregler. Wie aus einem Vergleich der Kurven der Istwerte der Reaktortemperatur klar zu erkennen ist, wird durch das erfindungs- gemäße Verfahren der Sollwert signifikant schneller erreicht als durch das Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Die Regelgüte ist somit besser. In Comparative Example 1, a temperature-temperature cascade is used to control the temperature in the reactor. In contrast, in example 1 according to the invention, a temperature/heat flow cascade is used to control the temperature in the reactor. In order to level off the process in the simulations, the process boundary conditions, such as the reactor temperature or the educt flows, are kept constant in both cases for the first 60 minutes. Here "Aspen Plus Dynamics" is used. After a simulated time of one hour, the setpoint of the reactor temperature is reduced instantaneously from 95°C to 92°C. After a further four hours of simulated time, the reactor temperature setpoint is reset to its original value of 95°C. In FIG. 6 and FIG. 7, the dashed line shows the desired value for the reactor temperature, and the solid line shows the actual value the reactor temperature and the dot-dash line the control signal of the master controller 105. In the case of the comparative example, this is a setpoint temperature for the slave controller, in the case of the example according to the invention it is a setpoint heat flow for the slave controller. As can be clearly seen from a comparison of the curves of the actual values of the reactor temperature, the desired value is reached significantly faster with the method according to the invention than with the method according to the prior art. The control quality is therefore better.
Für das Vergleichsbeispiel 1 und das erfindungsgemäße Beispiel 1 werden für ein weiteres Szenario Simulationsrechnungen durchgeführt. Nach einer Simulationszeit von einer Stunde wird der Propenmassenstrom 121 zum Reaktor instantan um 10% herabgesenkt. Nach weite- ren vier Stunden Simulationszeit wird der Propenmassenstrom wieder auf seinen ursprüngli- chen Wert zurückgesetzt. Hierbei wird für beide Beispiele auch kein zweiter Wärmeübertrager 142 hinzugeschaltet. Simulation calculations are carried out for a further scenario for comparative example 1 and example 1 according to the invention. After a simulation time of one hour, the propene mass flow 121 to the reactor is reduced instantaneously by 10%. After a further four hours of simulation time, the propene mass flow is reset to its original value. In this case, no second heat exchanger 142 is switched on for either example.
In Fig. 8 und Fig. 9 zeigt jeweils die gestrichelte Linie den Sollwert der Reaktortemperatur, die durchgezogene Linie den Istwert der Reaktortemperatur und die strich-gepunktete Linie das Stellsignal des Führungsreglers 105. Wie im Fall des Sollwertsprungs ist aus einem Vergleich der Kurven der Istwerte der Reaktortemperatur klar zu erkennen, dass durch das erfindungsge- mäße Verfahren der Sollwert signifikant schneller erreicht wird als durch das Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Die Regelgüte ist somit auch in diesem Szenario besser. In Fig. 8 and Fig. 9, the dashed line shows the setpoint of the reactor temperature, the solid line shows the actual value of the reactor temperature and the dot-dash line shows the control signal of the master controller 105. As in the case of the setpoint jump, a comparison of the curves shows the actual values The reactor temperature clearly shows that the desired value is reached significantly faster with the method according to the invention than with the method according to the prior art. The control quality is therefore also better in this scenario.
Für das Vergleichsbeispiel 1 und das erfindungsgemäße Beispiel 1 werden für ein weiteres Szenario folgende Simulationsrechnungen durchgeführt. Nach einer Stunde Simulationszeit wird ein zweiter Wärmeübertrager 142 zugeschaltet. Der Wärmestrom, der der Flüssigkeit im Primärkreislauf durch den zweiten Wärmeübertrager entzogen wird, wurde auf 10% des bis da- hin vom ersten Wärmeübertrager 103 entzogenen Wärmestroms festgelegt. Die durch die Re- aktion freigesetzte Wärmemenge bleibt davon unberührt. Nach fünf Stunden Simulationszeit wird der zweite Wärmeübertrager 142 wieder abgeschaltet und der erste Wärmeübertrager übernimmt wieder den gesamten Wärmestrom. The following simulation calculations are carried out for a further scenario for comparative example 1 and example 1 according to the invention. After an hour of simulation time, a second heat exchanger 142 is switched on. The heat flow that is withdrawn from the liquid in the primary circuit by the second heat exchanger was set at 10% of the heat flow withdrawn by the first heat exchanger 103 up to that point. The amount of heat released by the reaction remains unaffected. After five hours of simulation time, the second heat exchanger 142 is switched off again and the first heat exchanger takes over the entire heat flow again.
In Fig. 10 und Fig. 11 zeigt jeweils die gestrichelte Linie den Sollwert der Reaktortemperatur, die durchgezogene Linie den Istwert der Reaktortemperatur und die strich-gepunktete Linie das Stellsignal des Führungsreglers 105. Wie im Fall der vorherigen Simulationsbeispiele ist aus ei- nem Vergleich der Kurven der Istwerte der Reaktortemperatur klar zu erkennen, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren der Sollwert signifikant schneller erreicht wird als durch das Ver- fahren gemäß dem Stand der Technik. Die Regelgüte ist somit auch in diesem Szenario besser. Diese Simulationsergebnisse zeigen, dass bei einer Verwendung einer Temperatur- Wär- mestrom-Kaskade eine deutlich bessere Regelgüte als bei einer Verwendung einer Tempera- tur-Temperatur-Kaskade gemäß dem Stand der Technik erreicht wird. In Fig. 10 and Fig. 11, the dashed line shows the setpoint of the reactor temperature, the solid line shows the actual value of the reactor temperature and the dot-dash line shows the control signal of the master controller 105. As in the case of the previous simulation examples, a comparison of the Curves of the actual values of the reactor temperature clearly show that the desired value is reached significantly faster with the method according to the invention than with the method according to the prior art. The control quality is therefore also better in this scenario. These simulation results show that when using a temperature-heat flow cascade, a significantly better control quality is achieved than when using a temperature-temperature cascade according to the prior art.

Claims

Patentansprüche: Patent Claims:
1. Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem verfahrenstechnischen Apparat (101, 201, 301, 401), bei dem in einem Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) eine Flüssigkeit aus dem Apparat (101, 201, 301, 401) gefördert, zumindest teilweise einem Wärmeüber- trager (103, 203, 303, 403) zugeführt und zumindest teilweise dem Apparat (101, 201,1. A method for controlling the temperature in a process engineering apparatus (101, 201, 301, 401) in which a liquid is conveyed from the apparatus (101, 201, 301, 401) in a primary circuit (102, 202, 302, 402). , fed at least partially to a heat exchanger (103, 203, 303, 403) and at least partially to the apparatus (101, 201,
301, 401) wieder zurückgeführt wird, wobei der Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) durch ein Wärmeträgermedium in einem Sekundärkreislauf (104, 204, 304, 404) gekühlt oder beheizt wird, umfassend die Schritte 301, 401) is returned again, the heat exchanger (103, 203, 303, 403) being cooled or heated by a heat transfer medium in a secondary circuit (104, 204, 304, 404), comprising the steps
Bereitstellen eines Sollwertes der Temperatur der Flüssigkeit im Apparat (101, 201, 301, 401), providing a setpoint for the temperature of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401),
Erfassen eines Istwertes der Temperatur der Flüssigkeit im Apparat (101, 201, 301, 401), detecting an actual value of the temperature of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401),
Berechnen der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüs- sigkeit im Apparat (101, 201, 301, 401), dadurch gekennzeichnet, dass ein der Flüssigkeit im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) durch den Wärmeübertra- ger (103, 203, 303, 403) entnommener oder hinzugefügter Wärmestrom ermittelt wird, auf Basis eines vorgegebenen Regelungsalgorithmus ein Stellsignal berechnet wird, wobei der Regelungsalgorithmus derart konfiguriert ist, dass das Stellsignal sich in Abhängigkeit von dem Wärmestrom und der Temperaturdifferenz zwischen dem Ist- wert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat (101, 201, 301, 401) ergibt, und die Durchflussmenge des Stromes der Flüssigkeit durch den Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) und/oder ein Mengenstrom des Wärmeträgermediums durch den Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) im Sekun- därkreislauf (104, 204, 304, 404) auf Basis des Stellsignals manipuliert werden. Calculation of the temperature difference between the actual value and the set value of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401), characterized in that one of the liquid in the primary circuit (102, 202, 302, 402) flows through the heat exchanger (103 , 203, 303, 403) removed or added heat flow is determined, a control signal is calculated on the basis of a predetermined control algorithm, the control algorithm being configured in such a way that the control signal changes as a function of the heat flow and the temperature difference between the actual value and the setpoint of the liquid in the apparatus (101, 201, 301, 401) and the flow rate of the flow of liquid through the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the primary circuit (102, 202, 302, 402) and/or a Flow rate of the heat transfer medium through the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the secondary circuit (104, 204, 304, 404) can be manipulated on the basis of the control signal.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom aus dem Flüssigkeitsstrom durch den Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) sowie aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor und nach dem Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) und/oder der Wärmestrom aus einem Mengenstrom des Wärmeträ- germediums durch den Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) im Sekundärkreislauf (104, 204, 304, 404) sowie aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wärmeträgermediums vor und nach dem Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) im Se- kundärkreislauf (104, 204, 304, 404) ermittelt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the heat flow from the liquid flow through the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the primary circuit (102, 202, 302, 402) and from a temperature difference between the temperature of the liquid before and after the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the primary circuit (102, 202, 302, 402) and/or the heat flow from a quantity flow of the heat transfer medium through the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the secondary circuit ( 104, 204, 304, 404) as well as from a temperature difference between the temperature of the Heat transfer medium before and after the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the secondary circuit (104, 204, 304, 404) is determined.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsalgo- rithmus einen Temperaturregler und einen Wärmestromregler umfasst, wobei der Tempe- raturregler in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Flüssigkeit im Apparat (101, 201, 301, 401) als Ausgangssignal einen Soll- wert für den der Flüssigkeit im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) durch den Wärme- übertrager (103, 203, 303, 403) entnommenen oder hinzugefügten Wärmestrom berech- net, dieser Sollwert an den Wärmestromregler übergeben wird, und der Wärmestromreg- ler in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Wär- mestroms als Ausgangssignal das Stellsignal zur Manipulation des Flüssigkeitsstroms durch den Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) und/oder zur Manipulation des Mengenstroms des Wärmeträgermediums durch den Wär- meübertrager (103, 203, 303, 403) im Sekundärkreislauf (104, 204, 304, 404) generiert. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the control algorithm comprises a temperature controller and a heat flow controller, the temperature controller depending on the temperature difference between the actual value and the setpoint value of the liquid in the apparatus (101, 201, 301 , 401) calculates as an output signal a target value for the heat flow removed from or added to the liquid in the primary circuit (102, 202, 302, 402) by the heat exchanger (103, 203, 303, 403), this target value to the Heat flow controller is transferred, and the heat flow controller, depending on the difference between the actual value and the setpoint value of the heat flow, outputs the control signal for manipulating the liquid flow through the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the primary circuit (102, 202 , 302, 402) and/or for manipulating the mass flow of the heat transfer medium through the heat exchanger (103, 203, 303, 403) in the secondary circuit (104, 204, 304 , 404) generated.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) zumindest ein Bypass (307, 407) parallel zu dem Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) geschaltet ist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the primary circuit (102, 202, 302, 402) at least one bypass (307, 407) is connected parallel to the heat exchanger (103, 203, 303, 403).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) in der Zuleitung zum Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) und/oder in der Ableitung vom Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) und/oder im Bypass (307, 407) mindestens ein Stellorgan zur Manipulation des Flüssigkeitsstroms auf Basis des Stellsignals vorhanden ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the primary circuit (102, 202, 302, 402) in the supply line to the heat exchanger (103, 203, 303, 403) and/or in the discharge line from the heat exchanger (103, 203 , 303, 403) and/or in the bypass (307, 407) there is at least one actuator for manipulating the liquid flow on the basis of the actuating signal.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Sekundärkreislauf (104, 204, 304, 404) in der Zuleitung zum Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) und/oder in der Ableitung vom Wärmeübertrager (103, 203, 303, 403) mindes- tens ein Stellorgan zur Manipulation des Mengenstroms des Wärmeträgermediums auf Basis des Stellsignals vorhanden ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the secondary circuit (104, 204, 304, 404) in the supply line to the heat exchanger (103, 203, 303, 403) and/or in the discharge line from the heat exchanger (103, 203 , 303, 403) there is at least one actuator for manipulating the mass flow of the heat transfer medium on the basis of the actuating signal.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsalgorithmus eine Split-Range-Regelung umfasst, bei der anstatt eines Stellsignals mindestens zwei Stellsignale berechnet und mindestens zwei Ströme im Pri- märkreislauf und/oder im Sekundärkreislauf manipuliert werden, wobei ein erster Strom in Abhängigkeit von einem ersten Stellsignal und ein zweiter Strom in Abhängigkeit von ei- nem zweiten Stellsignal manipuliert werden. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the control algorithm comprises a split-range control in which, instead of one control signal, at least two control signals are calculated and at least two currents in the primary circuit and/or in the secondary circuit are manipulated, with a first current can be manipulated as a function of a first control signal and a second current can be manipulated as a function of a second control signal.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Apparat (101, 201, 301, 401) in den Primärkreislauf (102, 202, 302, 402) ge- förderte Flüssigkeitsstrom auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that from the apparatus (101, 201, 301, 401) in the primary circuit (102, 202, 302, 402) promoted liquid flow is set to a predetermined setpoint.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsalgorithmus bei der Berechnung des Stellsignals mindestens eine Stör- größe berücksichtigt, wobei die Störgröße eine gemessene oder geschätzte Prozess- größe umfasst, insbesondere mindestens einen Rohstoffstrom und/oder mindestens ei- nen weiteren Wärmestrom. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the control algorithm takes into account at least one disturbance variable when calculating the actuating signal, the disturbance variable comprising a measured or estimated process variable, in particular at least one raw material flow and/or at least one further heat flow.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Apparat (101, 201, 301, 401) eine chemische oder biologische, endotherme oder exotherme Reaktion oder ein exothermer oder endothermer physikalischer Prozess ab- läuft. 10. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that a chemical or biological, endothermic or exothermic reaction or an exothermic or endothermic physical process takes place in the apparatus (101, 201, 301, 401).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Reaktion um eine Hydroformylierung, Veretherung, Etherrückspaltung, Enalisierung, Dehydrierung, Py- rolyse, Hydrierung oder einen Crackprozess handelt. 11. The method according to claim 10, characterized in that the reaction is a hydroformylation, etherification, ether splitting, enalization, dehydrogenation, pyrolysis, hydrogenation or a cracking process.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrierung eine Vollhyd- rierung, Selektivhydrierung oder Kernhydrierung ist. 12. The method according to claim 11, characterized in that the hydrogenation is a full hydrogenation, selective hydrogenation or core hydrogenation.
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